Ứng dụng sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả quá trình thủy phân tinh bột khoai mì (manihot esculenta crantz )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN THỊ THU TRÀ

ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ
QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT KHOAI MÌ
(Manihot esculenta crantz.)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2015
i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN THỊ THU TRÀ

ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ
QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT KHOAI MÌ
(Manihot esculenta crantz.)

Chuyên ngành: Chế biến Thực phẩm và Đồ uống
Mã số chuyên ngành: 62 54 02 01

Phản biện độc lập 1: PGS. TS Nguyễn Minh Thủy
Phản biện độc lập 2: PGS. TS Nguyễn Thanh Hằng

Phản biện 1: PGS. TSKH Ngô Kế Sương

Phản biện 2: PGS. TS
Trương Thị Minh Hạnh
Phản biện 3: GS. TS
Đống Thị Anh Đào

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS LÊ VĂN VIỆT MẪN

ii


1.

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết
quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất
kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã
được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án

Chữ ký

Trần Thị Thu Trà

i


TÓM TẮT LUẬN ÁN
Với mu ̣c đích nâng cao hiệu quả của quá trình thủy phân tinh bột khoai mì bằng
giải pháp sử dụng sóng siêu âm, nô ̣i dung nghiên cứu của luâ ̣n án gồ m có bố n phầ n:

Phần 1: Xử lý siêu âm huyền phù tinh bột khoai mì. Phần này đã đưa ra quy luật
ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình phá vỡ hạt tinh bột và làm tăng lượng tinh
bột hòa tan.
Phần 2: Xử lý siêu âm chế phẩm enzyme amylase nhằm tìm hiểu quy luật ảnh
hưởng của sóng siêu âm đến hoạt độ của hai chế phẩm Termamyl 120L và Dextrozyme
GA. Phần này đã xác đinh
̣ được quy luật ảnh hưởng của nhiệt độ, công suất và thời gian
siêu âm đến hoạt tính amylase. Bên cạnh đó, biến đổi hoạt độ amylase theo pH và nhiệt
độ, các thông số động học và nhiệt động học của phản ứng thủy phân, các thông số nhiệt
động của quá trình vô hoạt enzyme được so sánh giữa mẫu chế phẩm enzyme đã qua và
không qua xử lý siêu âm.
Phần 3: Xử lý siêu âm hỗn hợp huyền phù tinh bột khoai mì có chứa enzyme xúc
tác. Phần này đã xác đinh
̣ quy luật ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình giải phóng
và làm tăng hàm lượng tinh bột hòa tan, đến độ thủy phân tinh bột.
Phần 4: So sánh các giải pháp sử dụng sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả thủy
phân tinh bột khoai mì: thông qua độ thủy phân, thời gian thủy phân và năng lượng siêu
âm cần sử dụng để tăng thêm 1g đường khử so với mẫu đối chứng.
Kế t quả nghiên cứu đã khẳ ng đinh
̣ sóng siêu âm có thể làm tăng hoạt tính amylase
của chế phẩm enzyme α – amylase và glucoamylase lần lượt là 47,3% và 11,1 % so với
mẫu đối chứng. Giải pháp xử lý siêu âm 2 chế phẩm α – amylase và glucoamylase trước
khi sử dụng trong quá trình thủy phân tinh bột cho độ thủy phân đạt 96,8% và giá trị này
tăng 12,6% so với mẫu đối chứng, chi phí năng lượng siêu âm thấp, chỉ 11J/g đường
khử tăng thêm.

ii


ABSTRACT

The objective of this research was to improve hydrolysis efficiency of cassava
starch by ultrasound – assisted treatments. The thesis consists of four experimental
sections:
Section 1: Ultrasonic treatment of cassava slurry. The impacts of the sonication
conditions in degradation of starch granules and content of soluble starch were
investigated and reported
Section 2: Ultrasonic treatment of amylase preparations. The effects of sonication
temperature, power and time on catalytic activity of Termamyl 120L and Dextrozyme
GA were clarified. Moreover, the influence of pH and temperature on amylase activity,
kinetic and thermodynamic parameters of hydrolytic reaction, thermodynamic
parameters of enzyme inhibition were compared for the sonicated and non – sonicated
preparations.
Section 3: Ultrasonic treatment of mixture of cassava slurry and enzyme
preparation. The impacts of sonication conditions on release of starch molecules from
starch granules and content of soluble starch were examined and reported
Section 4: Comparison of ultrasound – assisted techniques for improvement in
hydrolysis efficiency of cassava starch slurry. The hydrolytic yield and time were
determined, ultrasonic energy for increasing 1g reducing sugars in comparison with the
control was also calculated.
The experimental results showed that sonication enhanced catalytic activity of the
α – amylase preparation (Termamyl 120L) and the glucoamylase preparation
(Dextrozyme GA) by 47.3% and 11.1%, respectively, in comparison with the controls.
Application of the sonicated α – amylase and glucoamylase preparations to cassava
starch hydrolysis resulted in the hydrolytic yield of 96.8% and this value was 12.6%
higher than the control; the ultrasonic energy consumption was just 11J/g reducing
sugars increased.

iii

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành được cuốn luận án này, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đế n
PGS.TS. Lê Văn Viê ̣t Mẫn, thầ y hướng dẫn luâ ̣n án và cũng là chủ nhiê ̣m bô ̣ môn Công
nghê ̣ Thực phẩ m. Trong suốt quá trình làm luận án, tôi không chỉ tiếp thu thêm được
những kiến thức khoa học mới mà thông qua hướng dẫn của thầy, tôi còn học tập được
tác phong làm việc, phong cách viết báo cáo khoa học và cả cách đối nhân xử thế.
Xin cảm ơn TS. Hoàng Văn Quốc Chương, Giám đốc nhà máy Biên hòa, công ty
Ajinomoto Việt Nam đã cung cấ p nguyên liệu tinh bột khoai mì.
Xin cảm ơn Anh Lê Minh Thiên, Giám đốc kỹ thuật sản xuất, và Anh Tạ Quang
Minh, KS Hóa, phòng KTSX Công ty Cổ phần Rượu Bình Tây đã cung cấ p một phần
các chế phẩm enzyme Termamyl 120L, Dextrozyme GA sử du ̣ng trong luâ ̣n án.
Xin cảm ơn các đồ ng nghiê ̣p ta ̣i bô ̣ môn Công nghê ̣ Thực phẩ m đã giúp đỡ, đô ̣ng
viên, góp ý kiế n hữu ích để tôi hoàn thành luâ ̣n án.
Xin cảm ơn sự giúp đỡ của các thầ y cô Khoa Kỹ thuâ ̣t Hóa ho ̣c, phòng Đào ta ̣o Sau
Đa ̣i ho ̣c, các đơn vi ̣ hỗ trơ ̣ phân tích: phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Vật liệu
Polymer và Composite, phòng thí nghiê ̣m Công nghê ̣ cao, Viê ̣n Công nghê ̣ Hóa ho ̣c.
Xin cảm ơn các em sinh viên đã vất vả cùng tôi trong viê ̣c thực hiê ̣n các thực nghiê ̣m,
xử lý số liê ̣u kế t quả thí nghiê ̣m, công bố các bài báo…
Cuố i cùng, xin cảm ơn gia đin
̀ h đã ủng hô ̣ tinh thầ n và cũng là đô ̣ng lực cho tôi cố
gắ ng.

Nghiên cứu sinh
Trần Thị Thu Trà

iv


MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. xiii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN ......................................................................................2

Quá trình thủy phân tinh bột ............................................................................2
Các giai đoạn của quá trình thủy phân ........................................................2
Động học quá trình thủy phân tinh bột .......................................................7
Amylase .........................................................................................................10
Enzyme  - amylase ..................................................................................11
Enzyme glucoamylase ...............................................................................13
Các hiện tượng xảy ra khi sóng siêu âm tác động vào môi trường lỏng .......15
Ứng dụng sóng siêu âm vào quá trình thủy phân tinh bột............................. 18
Cơ sở khoa học .......................................................................................... 18
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thủy phân tinh bột dưới tác động
đồng thời của enzyme và sóng siêu âm .................................................................19
Những kết quả nghiên cứu đã thu được ....................................................21
Quá trình thủy phân tinh bột có sử dụng enzyme ở Việt Nam ......................24
Xác định hướng nghiên cứu của đề tài .......................................................... 27
CHƯƠNG 2

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................28

Nguyên liệu ...................................................................................................28
Chế phẩm enzyme .....................................................................................28
Tinh bột khoai mì ......................................................................................28
Các hóa chất phân tích ..............................................................................29

Nội dung nghiên cứu .....................................................................................29
Phương pháp nghiên cứu thực nghiê ̣m .......................................................... 30
Phương pháp cổ điể n .................................................................................30
Phương pháp quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m .......................................................30

v


Bố trí thí nghiệm ............................................................................................ 31
Phần 1: Xử lý siêu âm huyền phù tinh bột khoai mì – Ảnh hưởng của sóng
siêu âm đến giai đoạn hồ hóa ................................................................................31
Phần 2: Xử lý siêu âm chế phẩm enzyme amylase ...................................32
Phần 3: Xử lý siêu âm hỗn hợp huyền phù tinh bột khoai mì có chứa
enzyme – Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến giai đoạn dịch hóa .........................36
Phần 4: So sánh các giải pháp sử dụng sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả
thủy phân tinh bột khoai mì ...................................................................................37
Phương pháp phân tích, phương pháp tính toán và thiết bị sử dụng .............38
Phương pháp phân tích ..............................................................................38
Phương pháp tính toán ..............................................................................39
Thiết bị sử dụng.........................................................................................45
Xử lý số liệu ..................................................................................................45
CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .............................................................. 47

Phần 1: Xử lý siêu âm huyền phù tinh bột khoai mì – Ảnh hưởng của sóng
siêu âm đến giai đoạn hồ hóa ....................................................................................47
Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột khoai mì trong huyền phù ban đầu ..47
Ảnh hưởng của nhiệt độ bắt đầu siêu âm ..................................................51
Ảnh hưởng của công suất siêu âm ............................................................ 53

Ảnh hưởng của thời gian siêu âm ............................................................. 55
Phần 2: Xử lý siêu âm chế phẩm enzyme amylase .......................................57
Phần 2.1: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến chế phẩm enzyme Termamyl
120L ...................................................................................................................57
Phần 2.2: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến hoạt độ glucoamylase trong
chế phẩm Dextrozyme GA ....................................................................................78
Phần 3: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến giai đoạn dịch hóa huyền phù tinh
bột khoai mì ...............................................................................................................88
Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột khoai mì trong huyền phù ban đầu ..88
Ảnh hưởng của nhiệt độ bắt đầu siêu âm ..................................................91
Ảnh hưởng của công suất siêu âm ............................................................ 94
Ảnh hưởng của thời gian siêu âm ............................................................. 97

vi


Ảnh hưởng đồng thời của nhiê ̣t đô ̣, công suấ t và thời gian siêu âm trong
giai đoa ̣n dịch hóa đế n độ thủy phân tinh bột khoai mì ......................................100
Phần 4: So sánh các giải pháp sử dụng sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả
thủy phân tinh bột khoai mì .....................................................................................104
CHƯƠNG 4

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..............................................................109

Kết luận........................................................................................................109
Về mặt khoa học......................................................................................109
Về mặt ứng dụng .....................................................................................109
Đề nghị ........................................................................................................110
CHƯƠNG 5

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................111

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đường cong mô tả giai đoạn hồ hóa tinh bột khoai mì của một số giống
khoai mì trồng tại Brazil ..................................................................................................3
Hình 1.2. Phân loại enzyme amylase dựa vào vị trí và cơ chế xúc tác .........................11
Hình 1.3. Cấu trúc của α-amylase .................................................................................12
Hình 1.4 Cơ chế phản ứng thủy phân nhóm glycosyl của α-amylase từ vi khuẩn
Bacillus. .........................................................................................................................13
Hình 1.5 Mô phỏng cấu trúc của glucoamylase từ Aspergillus niger. .......................... 14
Hình 1.6 Cơ chế thủy phân liên kế t glycoside của glucoamylase .................................14
Hình 1.7 Sự hình thành, phát triển của bong bóng trong lòng chất lỏng dưới tác dụng
của sóng siêu âm. ...........................................................................................................16
Hình 1.8. Sơ đồ quá trình thủy phân tinh bột thành dung dịch đường glucose trong quy
trình sản xuất bột ngọt ...................................................................................................25
Hình 1.9. Sơ đồ quá trình thủy phân tinh bột thành dung dịch đường maltose trong quy
trình sản xuất đường nha ............................................................................................... 26
Hình 2.1 Phương pháp xác định vmax và Km dựa vào phương trình Linewearver và
Burk ............................................................................................................................... 39
Hình 2.2 Phương pháp xác định năng lượng hoạt hóa Ea theo phương pháp của
Arrhenius .......................................................................................................................40
Hình 3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu đến độ nhớt ở
65oC, nồng độ tinh bột hòa tan và độ hòa tan tinh bột sau 60 phút hồ hóa ...................47
Hình 3.2 Hình chụp dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) hạt tinh bột khoai mì trong
giai đoạn hồ hóa .............................................................................................................48
Hình 3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu đến kích thước
hạt tinh bột sau xử lý siêu âm ........................................................................................49

Hình 3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột trong huyền phù đến độ hòa tan tinh bột
tại thời điểm cân bằng ...................................................................................................50
Hình 3.5 Sự thay đổi độ nhớt của huyền phù tinh bột khoai mì 20% theo nhiệt độ .....51
Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ bắt đầu siêu âm đến độ hòa tan tinh bột sau 60 phút
hồ hóa của mẫu siêu âm và mẫu đối chứng ...................................................................52
Hình 3.7 Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến kích thước hạt tinh bột sau quá trình
xử lý và độ hòa tan tinh bột ........................................................................................... 53
Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến độ hòa tan tinh bột ............................. 55
Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến kích thước trung bình của hạt tinh bột
sau siêu âm.....................................................................................................................56
Hình 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm đến hoạt độ α – amylase trong chế phẩm
Termamyl 120L .............................................................................................................57
Hình 3.11 Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hoạt độ α – amylase trong chế phẩm
Termamyl 120L .............................................................................................................59
viii


Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hoạt độ α – amylase trong chế phẩm
Termamyl 120L .............................................................................................................60
Hình 3.13 Mối tương quan giữa hoạt độ α - amylase xác định bằng thực nghiệm và
theo phương trình hồi quy ............................................................................................. 62
Hình 3.14 Mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, công suất, thời gian siêu âm và tương tác
giữa chúng đến hoạt độ α – amylase trong chế phẩm enzyme Termamyl 120L ...........63
Hình 3.15 Bề mặt đáp ứng của hoạt độ α- amylase khi thay đổi đồng thời công suất và
thời gian siêu âm............................................................................................................64
Hình 3.16 Phổ UV – VIS của mẫu chế phẩm Termamyl 120L siêu âm và đối chứng .65
Hình 3.17 Kết quả điện di của mẫu chế phẩm Termamyl 120L siêu âm và đối chứng 66
Hình 3.18 Phổ 1H-NMR của mẫu chế phẩm Termamyl 120L siêu âm và đối chứng ...67
Hình 3.19 Phổ IR của mẫu chế phẩm Termamyl 120L siêu âm và đối chứng .............67
Hình 3.20 Ảnh hưởng của pH đến hoạt độ α- amylase của mẫu siêu âm và mẫu đối

chứng ............................................................................................................................. 69
Hình 3.21 Ảnh hưởng của pH đến các thông số động học của chế phẩm enzyme
Termamyl 120L .............................................................................................................70
Hình 3.22 Giản đồ Dixon và Webb để xác định hằng số phân ly pKa1, pKa2 của mẫu
siêu âm và mẫu đối chứng ............................................................................................. 71
Hình 3.23 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hoạt độ α- amylase của mẫu siêu âm
và mẫu đối chứng ..........................................................................................................72
Hình 3.24 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến các thông số động học của chế phẩm
enzyme Termamyl 120L................................................................................................ 73
Hình 3.25. Biến đổi hoạt độ α – amylase của mẫu siêu âm (SA) và mẫu đối chứng
(ĐC) theo thời gian ........................................................................................................76
Hình 3.26 Ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm đến hoạt độ glucoamylase trong chế phẩm
Dextrozyme GA .............................................................................................................79
Hình 3.27 Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hoạt độ glucoamylase trong chế
phẩm Dextrozyme GA ...................................................................................................79
Hình 3.28 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hoạt độ glucoamylase trong chế phẩm
Dextrozyme GA .............................................................................................................80
Hình 3.29 Mối tương quan giữa hoạt độ glucoamylase xác định bằng thực nghiệm và
theo phương trình hồi quy ............................................................................................. 82
Hình 3.30 Mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, công suất, thời gian siêu âm và tương tác
giữa ba thông số này đến hoạt độ glucoamylase trong chế phẩm Dextrozyme GA .....83
Hình 3.31 Bề mặt đáp ứng của hoạt độ glucoamylase khi thay đổi đồng thời nhiệt độ,
công suất và thời gian siêu âm.......................................................................................85
Hình 3.32 Kết quả điện di của mẫu chế phẩm Dextrozyme GA siêu âm và đối chứng 86
Hình 3.33 Ảnh hưởng của pH đến hoạt độ glucoamylase của mẫu siêu âm và mẫu đối
chứng ............................................................................................................................. 87

ix

Hình 3.34 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hoạt độ glucoamylase của mẫu siêu
âm và mẫu đối chứng.....................................................................................................87
Hình 3.35 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột ban đầu đến nồng độ đường khử và độ
thủy phân tinh bột sau 80 phút dịch hóa ........................................................................89
Hình 3.36 Hình chụp hạt tinh bột của mẫu đối chứng và mẫu siêu âm trong giai đoạn
dịch hóa dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................................. 90
Hình 3.37 Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột trong huyền phù đến độ thủy phân tinh
bột tại thời điểm cân bằng ............................................................................................. 91
Hình 3.38 Ảnh hưởng của nhiệt độ bắt đầu siêu âm đến độ thủy phân tinh bột sau 80
phút dịch hóa của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng ..................................................92
Hình 3.39 So sánh giản đồ phân bố kích thước hạt giữa mẫu siêu âm và mẫu đối chứng
tại các nhiệt độ siêu âm khác nhau ................................................................................93
Hình 3.40 Ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm đến độ thủy phân tinh bột tại thời điểm cân
bằng của mẫu siêu âm và mẫu đối chứng ......................................................................94
Hình 3.41 So sánh giản đồ phân bố kích thước hạt của các mẫu xử lý siêu âm ở các
công suất khác nhau .......................................................................................................95
Hình 3.42 Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến độ thủy phân tinh bột sau 80 phút
dịch hóa.......................................................................................................................... 96
Hình 3.43 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến độ thủy phân tinh bột sau 80 phút
dịch hóa và tại thời điểm cân bằng của mẫu siêu âm và mẫu đối chứng ......................97
Hình 3.44 So sánh giản đồ phân bố kích thước hạt của các mẫu xử lý siêu âm ở các
thời gian khác nhau........................................................................................................99
Hình 3.45 Mối tương quan giữa độ thủy phân tinh bột được xác định bằng thực
nghiệm và theo phương trình hồi quy .........................................................................101
Hình 3.46 Mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, công suất, thời gian siêu âm và tương tác
giữa chúng đến hoạt độ glucoamylase trong chế phẩm enzyme Dextrozyme GA......102
Hình 3.47 Bề mặt đáp ứng của độ thủy phân sau 80 phút dịch hóa khi thay đổi đồng
thời nhiệt độ, công suất và thời gian siêu âm ..............................................................103
Hình 3.48 Sự thay đổi độ thủy phân tinh bột khoai mì theo thời gian ........................105
Hình 3.49 Ảnh hưởng của hàm lượng chế phẩm Termamyl 120L đã qua xử lý siêu âm

đến độ thủy phân tinh bột khi kết thúc giai đoạn dịch hóa ..........................................108

x


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Kết quả nghiên cứu động học quá trình thủy phân tinh bột khoai mì bằng
enzyme ........................................................................................................................... 10
Bảng 1.2. Một số tính chất của các α-amylase từ chủng vi khuẩn Bacillus ..................13
Bảng 1.3. Một số tính chất của glucoamylase từ nấm mốc ...........................................15
Bảng 1.4 Ứng dụng sóng siêu âm trong giai đoạn hồ hóa tinh bột ............................... 23
Bảng 2.1. Bố trí thí nghiê ̣m khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố trong quá trình xử lý
siêu âm đế n hàm lượng tinh bột hòa tan trong giai đoạn hồ hóa...................................32
Bảng 2.2. Bố trí thí nghiê ̣m theo phương pháp cổ điển về ảnh hưởng của các yếu tố xử
lý siêu âm đế n hoạt độ amylase của chế phẩm enzyme thương mại ............................. 33
Bảng 2.3. Bố trí thí nghiê ̣m khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố quá trình siêu âm đế n
độ thủy phân tinh bột trong giai đoạn dịch hóa ............................................................. 36
Bảng 3.1 Ma trâ ̣n quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m và kế t quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng
đồng thời của nhiệt độ, công suất và thời gian siêu âm đến hoạt độ α- amylase trong
chế phẩm Termamyl 120L............................................................................................. 61
Bảng 3.2 Các hệ số của phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ, công suất
và thời gian siêu âm đến hoạt độ α – amylase trong chế phẩm enzyme Termamyl 120L
theo biến mã hóa ............................................................................................................62
Bảng 3.3 Hàm lượng protein hòa tan của mẫu chế phẩm Termamyl 120L siêu âm và
đối chứng .......................................................................................................................65
Bảng 3.4 Biến đổi cấu trúc bậc hai của chế phẩm enzyme trước và sau siêu âm .........68
Bảng 3.5 Các thông số nhiệt động của phản ứng thủy phân tinh bột với xúc tác là mẫu
enzyme siêu âm và mẫu enzyme đối chứng ..................................................................75
Bảng 3.6 Hằng số tốc độ vô hoạt enzyme kin và thời gian bán hủy t1/2 của mẫu siêu âm
và mẫu đối chứng ở các giá trị nhiệt độ khác nhau .......................................................77

Bảng 3.7 Các thông số nhiệt động của quá trình vô hoạt enzyme của mẫu siêu âm và
mẫu đối chứng ở các giá trị nhiệt độ khác nhau. ........................................................... 77
Bảng 3.8 Ma trâ ̣n quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m và kế t quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng
đồng thời của nhiệt độ, công suất và thời gian siêu âm đến hoạt độ glucoamylase của
chế phẩm Dextrozyme GA ............................................................................................ 81
Bảng 3.9 Các hệ số của phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ, công suất
và thời gian siêu âm đến hoạt độ glucoamylase trong chế phẩm enzyme Dextrozyme
GA theo biến mã hóa .....................................................................................................82
Bảng 3.10 Hàm lượng protein hòa tan của mẫu chế phẩm Dextrozyme GA siêu âm và
đối chứng .......................................................................................................................85
Bảng 3.11 Ma trâ ̣n quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m và kế t quả ..............................................100
Bảng 3.12 Các hệ số của phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ, công
suất và thời gian siêu âm đến ΔRS sau 80 phút dịch hóa theo biến mã hóa ...............101

xi


Bảng 3.13. Năng lượng siêu âm cần sử dụng để tăng hoạt độ chế phẩm amylase và xử
lý huyền phù tinh bột ...................................................................................................107
Bảng 3.14. Năng lượng siêu âm cần sử dụng tính cho 100g tinh bột .........................107

xii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DE Chỉ số đương lượng dextrose (Dextrose equivalent).
DH Độ thủy phân (degree of hydrolysis)
DNS 3,5- dinitrosalisylic acid
DP Mức độ polymer hóa của phân tử tinh bột (Degree of Polymerization)
DSC thiết bị đo nhiệt lượng (differential scanning calorimetry)

DSOL Độ hòa tan tinh bột (degree of solubilization)
ĐC Đối chứng
E
Enzyme
E – S Phức “cơ chất – enzyme”
E – P Phức “sản phẩm – enzyme”
HĐα Hoạt độ α - amylase
HĐG Hoạt độ glucoamylase
HSAX Độ chênh lệch tính chất X của mẫu siêu âm so với mẫu đối chứng
P
Sản phẩm
QT Quá trình
RVA thiết bị đo nhanh độ nhớt (rapid visco analyzer)
S
Cơ chất
SA Siêu âm
SEM Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscopy)
SP
Độ trương nở của hạt (swelling power)
Tpaste Nhiệt độ bắt đầu hồ hóa
Tpeak Nhiệt độ khi độ nhớt của hỗn hợp bột – nước trong giai đoạn hồ hóa đạt cực đại
ηpeak Độ nhớt cực đại của hỗn hợp bột – nước trong giai đoạn hồ hóa

xiii


MỞ ĐẦU
Quá trình thủy phân tinh bột được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm
và công nghiệp lên men. Hiệu suất thủy phân tinh bột phụ thuộc chủ yếu vào giai đoạn
phá vỡ hạt tinh bột để giải phóng các phân tử amylose và amylopectin, nhờ đó enzyme

tiếp xúc được với cơ chất để chuyển hóa tinh bột thành đường. Hiện nay, các nhà sản
xuất ở trong và ngoài nước đều sử dụng nhiệt kết hợp với chế phẩm α – amylase để phá
vỡ hạt tinh bột. Phương pháp này có nhược điểm là cần sử dụng chế phẩm enzyme với
hàm lượng cao và thời gian xử lý dài [1].
Trong mười năm gần đây, nhiều giải pháp công nghệ mới đã được nghiên cứu
nhằm giảm lượng chế phẩm enzyme cần dùng và rút ngắn thời gian thủy phân, từ đó
làm tăng hiệu quả kinh tế của quy trình sản xuất. Trong số đó, sử dụng sóng siêu âm để
hỗ trợ quá trình thủy phân tinh bột bước đầu mang lại một số kết quả tích cực [1], [2].
Những nghiên cứu này được thực hiện chủ yếu tại Trung Quốc và Thái Lan. Đến nay,
chưa có công bố khoa học về sử dụng sóng siêu âm trong quá trình thủy phân tinh bột
tại Việt Nam.
Hiện nay ở nước ta, tinh bột khoai mì (tinh bột sắn - Manihot esculenta crantz.) có
giá thành rẻ, phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong quá trình thủy phân để sản xuất
dextrin, maltodextrin, maltose và glucose [3]. Quá trình thủy phân tinh bột có thể dài
đến hàng chục giờ, lượng enzyme sử dụng nhiều và hiệu suất thủy phân chưa cao [4].
Xuất phát từ những vấn đề thực tế trên, chúng tôi thực hiê ̣n đề tài “Ứng dụng
sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả quá trình thủy phân tinh bột khoai mì (Manihot
esculenta crantz.)”
Mu ̣c đích nghiên cứu là nâng cao hiệu quả của quá trình thủy phân tinh bột khoai
mì bằng giải pháp sử dụng sóng siêu âm để rút ngắ n thời gian thủy phân hoặc tiết kiệm
lượng enzyme sử dụng.

-1-


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Quá trình thủy phân tinh bột

Về bản chất, quá trình thủy phân tinh bột là quá trình phân cắt mạch phân tử tinh
bột có sự tham gia của nước. Xúc tác được sử dụng phổ biến hiện nay là các enzyme
amylase. Quá trình thủy phân tinh bột thường được chia thành ba giai đoạn: hồ hóa, dịch
hóa và đường hóa [5].
Các giai đoạn của quá trình thủy phân
1.1.1.1 Giai đoạn hồ hóa
Khi gia nhiệt huyền phù tinh bột trong nước, các phân tử nước sẽ khuếch tán vào
bên trong hạt tinh bột khiến cho hạt trương nở. Sự hình thành liên kết hydro giữa các
phân tử tinh bột ở bên trong hạt với phân tử nước sẽ làm yếu đi liên kết giữa các phân
tử tinh bột với nhau. Vùng cấu trúc tinh thể của hạt tinh bột chuyển dần thành vô định
hình. Sự biến đổi cấu trúc này là bất thuận nghịch. Tiếp theo, các phân tử amylose và
amylopectin mạch ngắn sẽ khuếch tán ra bên ngoài hạt tinh bột. Một số hạt tinh bột bị
vỡ ra và không còn hình dạng nhất định. Các phân tử nước sẽ bao quanh phân tử amylose
và amylopectin được giải phóng ra từ hạt tinh bột để tạo thành micell “nước – tinh bột”.
Các phân tử tinh bột này được gọi là tinh bột hòa tan (soluble starch). Giai đoạn này
được gọi là hồ hóa (gelatinization) [6]. Hồ hóa làm chín tinh bột, tăng khả năng tiêu hóa
[7]. Trong quá trình thủy phân tinh bột với xúc tác enzyme, giai đoạn hồ hóa sẽ giải
phóng một số phân tử tinh bột ra khỏi hạt tinh bột ban đầu và làm tăng khả năng tiếp
xúc giữa enzyme và cơ chất [8].
Trong khoa học, có nhiều phương pháp để nghiên cứu giai đoạn hồ hóa như xác
định mức độ hút nước - trương nở của hạt tinh bột bằng cách tính chênh lệch khối lượng
của hạt tinh bột trước và sau giai đoạn hồ hóa [9], [10], [11]; xác định mức độ gia tăng
lượng tinh bột hòa tan bằng các phương pháp so màu phức iod - tinh bột [11], [12]; xác
định sự biến đổi độ nhớt của hỗn hợp theo thời gian hồ hóa bằng thiết bị đo nhanh độ
nhớt (rapid visco analyzer – RVA) [6]; quan sát biến đổi cấu trúc hạt bằng kính hiển vi
phân cực (polarization microscope) [13], [14] hay bằng kính hiển vi điện tử quét
(scanning electron microscopy - SEM) [15]; xác định lượng nhiệt huyền phù tinh bột
-2-

hấp thu trong giai đoạn hồ hóa bằng thiết bị đo nhiệt lượng (differential scanning
calorimetry – DSC [16]); xác định sự biến đổi vùng cấu trúc tinh thể thành vô định hình
bằng cách phân tích hình ảnh nhiễu xạ khi chụp X quang, tán xạ ánh sáng, phổ cộng
hưởng từ hạt nhân NMR [16], [17]. Trong sản xuất công nghiệp, các biến đổi của giai
đoạn hồ hóa thường được quan tâm là mức độ hút nước - trương nở của hạt, mức độ gia
tăng hàm lượng tinh bột hòa tan, biến đổi về độ nhớt và năng lượng cần tiêu thụ [6],
[16], [18], [19].
Dựa vào biến đổi độ nhớt, giai đoạn hồ hóa được xem là bắt đầu khi độ nhớt của
huyền phù tăng vọt. Nhiệt độ tại thời điểm đó được gọi là nhiệt độ bắt đầu hồ hóa
(Pasting Temperature - Tpaste hay To). Nhiệt độ tại thời điểm độ nhớt đạt cực đại (ηpeak)
gọi là nhiệt độ đạt đỉnh nhớt (Peak temperature - Tpeak). Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ vượt
quá giá trị nhiệt độ đạt đỉnh nhớt, độ nhớt của hỗn hợp sẽ giảm. Khoảng nhiệt độ từ Tpaste
đến Tpeak được gọi là khoảng nhiệt độ hồ hóa (Hình 1.1a) [6]. Khoảng nhiệt độ hồ hóa
của các loại tinh bột có nguồn gốc khác nhau sẽ khác nhau. Đó là do sự khác nhau về
cấu trúc hạt của loại tinh bột. Dựa vào sự biến đổi độ nhớt, khoảng nhiệt độ hồ hóa của
tinh bột khoai mì thường là 57 – 770C [20], [21], [22].

Hình 1.1. Đường cong mô tả giai đoạn hồ hóa tinh bột khoai mì của một số giống
khoai mì trồng tại Brazil
(a) Giản đồ thay đổi độ nhớt theo thời gian
(b) Đường cong hấp thu năng lượng nhiệt [23]

Dựa vào đường cong mô tả năng lượng nhiệt hấp thu, có ba điểm uốn ứng với ba
giá trị nhiệt độ được quan tâm nhiều nhất là Tonset, Tpeak và Tend. Nhiệt độ tương ứng với
thời điểm độ hấp thu nhiệt của hỗn hợp bắt đầu tăng mạnh là nhiệt độ bắt đầu hồ hóa
Tonset. Giá trị nhiệt độ tại đó hỗn hợp hấp thu năng lượng nhiệt nhiều nhất thì được gọi

-3-

là Tpeak. Giá trị nhiệt độ tương ứng với thời điểm đường hấp thu năng lượng nhiệt bắt
đầu ổn định được gọi là Tend. Khi đó, giai đoạn hồ hóa được xem là kết thúc. Khoảng
nhiệt độ từ Tonset đến Tend gọi là khoảng nhiệt độ hồ hóa (Hình 1.1b) [16], [24]. Tonset của
tinh bột khoai mì dao động trong khoảng 50,0 – 66,70C, Tpeak dao động trong khoảng
60 – 70,50C và Tend dao động trong khoảng 69,0 – 82,70C [21], [22], [25], [26], [27].
Để biểu diễn mức độ hồ hóa, hai thông số thường được sử dụng là độ trương nở
(swelling power – SP) và độ hòa tan tinh bột (degree of solubilization – DSOL) của hạt
tinh bột. Hai thông số này được xác định bằng cách lấy một lượng thể tích mẫu huyền
phù tinh bột trong giai đoạn hồ hóa để phối trộn với nước, sau đó ly tâm thu phần cặn.
Thông số SP được tính theo công thức (1.1). Thông số này càng cao chứng tỏ hạt càng
hút được nhiều nước và trương nở càng lớn. Thông số DSOL được xác định theo công
thức (1.2). Thông số này càng lớn thì mức độ phân rã hạt tinh bột để giải phóng các phân
tử tinh bột ra ngoài hạt sẽ càng cao [9], [10], [11]. Đối với tinh bột khoai mì, trong
khoảng nhiệt độ hồ hóa 65 – 85oC, giá trị SP là 40 – 60 g/g [28] và DSOL là 0,13 –
0,24g/g [29].
𝑆𝑃 =

𝑚2
𝑚1

𝐷𝑆𝑂𝐿 =
Với

(1.1)

𝑚3
𝑚1

(1.2)

m1 là lượng chất khô của tinh bột trong mẫu huyền phù ban đầu [g]
m2 là lượng tinh bột ướt thu được sau khi ly tâm (phần cặn) của VmL mẫu trong
giai đoạn hồ hóa [g]
m3 là lượng tinh bột hòa tan trong giai đoạn hồ hóa huyền phù [g]

1.1.1.2 Giai đoạn dịch hóa
Sau giai đoạn hồ hóa, nếu bổ sung α – amylase vào huyền phù tinh bột, độ nhớt
của hỗn hợp giảm nhanh, giai đoạn này được gọi là dịch hóa (liquefaction). Khi đó, các
phân tử tinh bột hòa tan bị thủy phân, cắt ngắn mạch dưới tác dụng của α-amylase.
Enzyme α – amylase là endo-enzyme có khả năng thủy phân liên kết α- 1,4 glycoside
tại vị trí giữa mạch phân tử amylose và amylopectin [30]. Nếu bổ sung α – amylase chịu
nhiệt vào huyền phù từ đầu quá trình thủy phân, giai đoạn hồ hóa và dịch hóa xảy ra

-4-


đồng thời và được gọi chung là dịch hóa. Khi đó, quá trình thủy phân dưới xúc tác của
hệ enzyme amylase chỉ được chia thành hai giai đoạn dịch hóa và đường hóa [8].
Trong công nghiệp, dịch hóa tinh bột được sử dụng để sản xuất dextrin,
maltodextrin và là giai đoạn đầu của đường hóa để sản xuất maltose, glucose [8].
Để nghiên cứu giai đoạn dịch hóa tinh bột, các nhà khoa học có thể dựa vào mức
độ giảm hàm lượng tinh bột hòa tan, mức độ giảm chiều dài mạch phân tử tinh bột hay
mức độ tăng hàm lượng “đường khử” trong dung dịch phản ứng. Hàm lượng tinh bột
hòa tan được xác định bằng các phương pháp so màu phức iod - tinh bột [31], [32].
Chiều dài mạch phân tử tinh bột – chỉ số DP (Degree of Polymerization) được xác định
bằng các phương pháp sắc ký, phổ biến nhất là sắc ký lỏng cao áp (HPLC) [33], [34].
Hàm lượng “đường khử” trong hỗn hợp thủy phân tinh bột được xác định dựa vào phản
ứng giữa nhóm khử-CHO của “đường khử” với các chất oxy hóa như Cu2+ [35], hay
3,5- dinitrosalisylic (DNS) [36].
Để biểu diễn mức độ dịch hóa, các nhà khoa học sử dụng một trong ba thông số:

̅̅̅̅̅
độ dài trung bình của mạch dextrin 𝐷𝑃
𝑛 (Number-average Degree of Polymerization)
[37], đương lượng dextrose DE (Dextrose Equivalent) [33] hay độ thủy phân tinh bột
DH (Degree of Hydrolysis) [38], [39]. Hai chỉ số DE và DH có ý nghĩa khoa học và
công thức tính tương tự nhau nhưng khác nhau về đơn vị đo. Chỉ số DH có đơn vị là %,
chỉ số DE không có thứ nguyên.
Độ dài trung bình của mạch maltodextrin là đại lượng cho biết chiều dài trung bình
của các maltodextrin trong hỗn hợp thủy phân. Khi mức độ thủy phân càng nhiều thì giá
̅̅̅̅̅
̅̅̅̅̅
trị 𝐷𝑃
𝑛 càng nhỏ. 𝐷𝑃𝑛 được tính theo phương trình (1.3), trong đó ci và Mi được xác
định bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp [40]
̅̅̅̅̅
𝐷𝑃
𝑛 =
Với

∑ 𝑐𝑖
𝑀𝑛
1
=
162 162 ∑(𝑐𝑖 /𝑀𝑖 )

(1.3)

̅̅̅̅
𝐷𝑃𝑛 là độ dài trung bình của mạch dextrin
Mn là phân tử lượng trung bình của dextrin [đvc]

𝑚
𝑐𝑖 = ∑𝑛 𝑖 × 100% là tỷ lệ khối lượng của phân tử dextrin được tạo thành từ i
1 𝑚𝑖

phân tử glucose [%]

-5-


mi là hàm lượng phân tử dextrin được tạo thành từ i phân tử glucose [g]
Mi là phân tử lượng của phân tử dextrin được tạo thành từ i phân tử glucose [đvc]
Đương lượng dextrose hay còn gọi là chỉ số DE là đại lượng chỉ khả năng khử của
các sản phẩm thủy phân trong hỗn hợp so với mẫu chuẩn là đường glucose (dextrose).
Giá trị DE thay đổi từ 0 (tương ứng với mẫu chứa tinh bột không hòa tan) đến 100 (tương
ứng với dung dịch glucose nguyên chất). Chỉ số DE được tính bằng số gram sản phẩm
thủy phân có gốc khử được quy đổi thành D-glucose trong 100g chất khô trong huyền
phù ban đầu (phương trình 1.4) [41].
𝐷𝐸 =
Với

𝑚4
× 100
𝑚1

(1.4)

m4 là lượng nhóm khử quy đổi thành đường glucose [g]
m1 là lượng tinh bột tính theo chất khô trong huyền phù ban đầu [g]
Độ thủy phân tinh bột DH được định nghĩa là lượng đường khử tạo thành (quy đổi

ra đường glucose) so với lượng nguyên liệu khô ban đầu (Phương trình 1.5). DH thay
đổi từ 0% đến 100%. Quá trình thủy phân càng nhiều thì giá trị DH càng cao [42].
𝐷𝐻 =

𝑚4 162
×
× 100%
𝑚1 180

(1.5)

Với 162/180 là hệ số chuyển đổi từ khối lượng đường khử thành khối lượng tinh bột
hòa tan
Khi dịch hóa được sử dụng trong sản xuất maltodextrin hay dextrin, sản phẩm có
chỉ số DE dao động trong khoảng 12 – 40. Nếu dịch hóa là giai đoạn đầu của đường hóa
để sản xuất glucose hoặc maltose thì chỉ số DE khi kết thúc dịch hóa sẽ dao động trong
khoảng 8 – 12 [43].
1.1.1.3 Giai đoạn đường hóa
Giai đoạn đường hóa là giai đoạn cuối của quá trình thủy phân tinh bột. Ngoài αamylase, giai đoạn đường hóa còn sử dụng các exo-enzyme và các enzyme cắt nhánh
như β-amylase (thủy phân liên kết α, 1 – 4 glycoside từ đầu không khử và tạo sản phẩm
là đường maltose), -amylase (thủy phân liên kết α, 1 – 4 và α, 1 – 6 glycoside từ đầu
không khử và tạo sản phẩm là đường glucose), pullulanase (thủy phân liên kết α, 1 – 6
glycoside làm giảm độ phân nhánh của amylopectin). Sản phẩm của giai đoạn này là

-6-


hỗn hợp các loại đường tan, chủ yếu là maltose và glucose. Các sản phẩm thông dụng
trên thị trường gồm: maltose có DE = 40-45, “high maltose” có DE = 50-55, “high
conversion syrup” có DE = 55-70 và “high content of glucose” có DE = 95-97, [43].

Động học quá trình thủy phân tinh bột
1.1.2.1 Động học giai đoạn hồ hóa tinh bột
Phương trình động học mô tả tốc độ hồ hóa theo thời gian có thể dựa vào sự gia
tăng độ nhớt của hỗn hợp (Phương trình 1.6), [44], [45], sự gia tăng nồng độ tinh bột
hòa tan (phương trình 1.7) [44], [46], [47], [48], sự gia tăng enthalpy (Phương trình
1.8) [27], [49] hay sự biến đổi của các tính chất lưu biến của hỗn hợp hồ tinh bột như độ
chắc (Phương trình 1.9) [26], modul đàn hồi (Phương trình 1.10), [50].

Với

x=

μt −μ0
μ∞ −μ0

dx
= k hh (1 − x)
dt
là tỷ số độ nhớt [không thứ nguyên]

(1.6)

μt , μ0 , μ∞ là độ nhớt tại thời điểm đang khảo sát, thời điểm bắt đầu hồ hóa và thời
điểm quá trình hồ hóa đạt cân bằng [cP]
t là thời gian từ lúc bắt đầu hồ hóa đến thời điểm đang khảo sát [phút]
khh là hằng số tốc độ hồ hóa tinh bột [1/phút]
a = 1 − e−khht
Với

a=

m5
m1

(1.7)

là phần khối lượng tinh bột đã được hồ hóa tại thời điểm đang khảo sát

[không thứ nguyên]
m5 là khối lượng tinh bột hòa tan tại tại thời điểm đang khảo sát [g]
m1 là khối lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu [g]
dα
= k hh (1 − α)n
dt
Với

α=

∆Ht
∆H∞

(1.8)

là độ hồ hóa tinh bột tại thời điểm đang khảo sát [không thứ nguyên]

Ht và H là enthalpy hỗn hợp đã hấp thu cho đến thời điểm đang khảo sát và
tại thời điểm hồ hóa hoàn toàn [J]
n là bậc phản ứng giai đoạn hồ hóa [không thứ nguyên]
Ft
ln ( ) = −k hh t

F0

(1.9)

-7-


Với

Với

Ft và F0 là độ chắc của hồ tinh bột tại thời điểm đang khảo sát và tại thời điểm
ban đầu [N]
E∞ − Et
n
= e−khht
(1.10)
E∞ − E0
Et , E0 , E∞ là modul đàn hồi tại thời điểm đang khảo sát, thời điểm bắt đầu hồ hóa
và thời điểm quá trình hồ hóa đạt cân bằng [g.cm]
Giá trị hằng số tốc độ hồ hóa tinh bột (khh) phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng theo

phương trình động học Arrhenius (1.11)
Với

k hh = k o e(−Ea/RT)
T là nhiệt độ phản ứng [oK]
Ea là năng lượng hoạt hóa của giai đoạn hồ hóa [kJ/mol]
R là hằng số khí lý tưởng, R = 8,314J/mol.K
ko là hệ số phản ứng (reaction frequency factor)

(1.11)

Trong thực tế, một số loại tinh bột khi hồ hóa sẽ tăng độ nhớt rất cao, tạo ra hỗn
hợp đặc quánh nên kết quả đo độ nhớt sẽ không chính xác. Để xác định nhiệt năng tiêu
thụ và các tính chất lưu biến của hỗn hợp hồ tinh bột thì cần phải có thiết bị đo chuyên
dụng. Vì vậy, động học của quá trình hồ hóa thường được mô tả theo độ tăng của hàm
lượng tinh bột hòa tan (phương trình 1.7) [46].
1.1.2.2 Động học giai đoạn dịch hóa và đường hóa tinh bột
Có hai cách để mô tả động học quá trình thủy phân tinh bột khi có mặt enzyme xúc
tác: mô tả biến đổi vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất ban đầu và mô tả biến đổi
nồng độ cơ chất hay sản phẩm theo thời gian phản ứng.
Michaelis và Menten (1913) đã đề nghị mô hình động học mô tả sự tương quan
giữa vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác với nồng độ cơ chất ban đầu. Giai đoạn dịch
hóa và đường hóa tinh bột đều có xúc tác của enzyme nên có thể được mô tả theo phương
trình Michaelis-Menten (1.12) [51].
𝑣𝑚𝑎𝑥 [𝑆]
(1.12)
𝐾𝑚 + [𝑆]
Với: v và vmax là vận tốc phản ứng và vận tốc phản ứng cực đại [mol/phút]
[S] là nồng độ cơ chất [mol/L]
Km là hằng số phân ly biểu kiến của phức enzyme – cơ chất hay còn gọi là hằng
số Michaelis – Menten [mol/L]
𝑣=

-8-


Khi nồng độ cơ chất ban đầu quá cao thì enzyme bị ức chế. Ví dụ như khi nghiên
cứu quá trình thủy phân tinh bột, Yankov và cộng sự (1986) nhận thấy phương trình

Michaelis - Menten chỉ đúng trong khi hàm lượng tinh bột trong huyền phù ban đầu nhỏ
hơn hay bằng 250g/L. Khi hàm lượng cơ chất cao hơn 250g/L, vận tốc phản ứng không
còn tuân theo mô hình phương trình Michaelis – Menten, vì vậy cần có các mô hình
khác để mô tả động học phản ứng [52].
Theo Ofoli (1990), sự thay đổi lượng sản phẩm thủy phân theo thời gian được biểu
diễn dưới dạng phương trình (1.13).

P

at
1  bt

(1.13)

Với: P là nồng độ sản phẩm tính theo tinh bột hòa tan hay đường khử tại thời điểm
khảo sát [g/L]
t là thời gian từ lúc bắt đầu bổ sung enzyme đến thời điểm đang khảo sát [phút]
a là hằng số biểu thị vận tốc ban đầu của quá trình thủy phân tinh bột [g/L.phút]
b là hằng số thực nghiệm [1/phút]
Khi thời gian tiến tới vô cùng hay tại thời điểm phản ứng đạt cân bằng thì nồng độ
sản phẩm tiến tới giá trị a/b. Đây là lượng sản phẩm tối đa có thể thu được sau phản ứng
[53].
Theo Marangoni (2002), sự thay đổi lượng của cơ chất và sản phẩm thủy phân theo
thời gian có thể được biểu diễn theo phương trình (1.14) và phương trình (1.15).

Với

(1.14)
∆𝑆𝑡 = ∆𝑆∞ (1 − 𝑒 −𝑘𝑑ℎ𝑡 )
−𝑘

𝑡
𝑑ℎ
)
(1.15)
∆𝑃𝑡 = ∆𝑃∞ (1 − 𝑒
∆St và ∆S là lượng cơ chất giảm đi so với ban đầu tại thời điểm khảo sát và tại
thời điểm vô cùng (Lượng cơ chất tại thời điểm vô cùng được hiểu là lượng cơ
chất còn lại khi phản ứng đạt cân bằng) [g/L]
∆Pt và ∆P là lượng sản phẩm tăng thêm tại thời điểm khảo sát và tại thời điểm
vô cùng (Lượng sản phẩm tại thời điểm vô cùng được hiểu là lượng sản phẩm tạo
ra khi phản ứng đạt cân bằng) [g/L]
kdh là hằng số tốc độ thủy phân (giai đoạn dịch hóa hay giai đoạn đường hóa) tinh
bột [1/phút]
Giá trị hằng số tốc độ dịch hóa hay đường hóa tinh bột (kdh) cũng phụ thuộc vào

nhiệt độ phản ứng theo phương trình động học Arrhenius (1.16)
-9-


𝑘𝑑ℎ = 𝑘𝑜 𝑒 (−𝐸𝑎/𝑅𝑇)
Với

(1.16)

T là nhiệt độ phản ứng [oK]
Ea là năng lượng hoạt hóa của giai đoạn dịch hóa hay đường hóa [kJ/mol]
ko là hệ số phản ứng (reaction frequency factor)
Khi thời gian tiến tới vô cùng hay tại thời điểm phản ứng đạt cân bằng thì St

tiến tới S và Pt tiến tới P, từ đó suy ra được lượng sản phẩm tối đa có thể thu được

sau phản ứng [54].
Khi nghiên cứu về giai đoạn dịch hóa và đường hóa tinh bột, do sản phẩm là
đường khử nên có thể thay P bằng lượng đường khử tăng thêm RS [1], [55], [56],
[57], [58], [59], [60], [61], ΔDH hay ΔDE [62], [63].
Bảng 1.1 giới thiệu kết quả nghiên cứu động học quá trình thủy phân tinh bột
khoai mì có sử dụng xúc tác enzyme đã được công bố trong thời gian gần đây
Bảng 1.1 Kết quả nghiên cứu động học quá trình thủy phân tinh bột khoai mì bằng
enzyme
STT

Enzyme

1

Giai đoạn hồ hóa,
không sử dụng
enzyme

2

3

Điều kiện thí nghiệm
Hàm lượng tinh bột
60g/kg huyền phù,
không chỉnh pH,
nhiệt thay đổi từ 50oC
lên 95oC

Chế phẩm

STARGEN
TM 001

Hàm lượng tinh bột
250g/L
pH 7,0; T = 100oC

Amylase từ nấm A.
fumigatus KIBGEIB33

Hàm lượng tinh bột
81g/L; pH 6,0;
T = 65oC,

Mô hình động học

Tài liệu tham khảo

𝑑𝛼
= 𝑘ℎℎ (1 − 𝛼)𝑛
𝑑𝑡
Với ln(khh) = 73,8 ± 5,43 và
n = 0,985 ± 0,002

Zhang và cộng sự
(2013) [27]

∆𝑃𝑡 = ∆𝑃∞ (1 − 𝑒 −𝑘𝑑ℎ 𝑡 )
Nitayavardhana và
Với ∆𝑃∞ = 12,2 (g/100g mẫu)

cộng sự (2008) [1]
khh = 0,296 (1/giờ)
Mô hình Michaelis-Menten
với Km = 0,046mg/mL và
vmax = 769U/mg

Pervez và cộng sự
(2014) [64]

Amylase
Amylase là một hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật. Các enzyme này
thuộc nhóm thủy phân, xúc tác phân giải liên kết O – glucoside của các polysaccharide
với sự tham gia của nước (Phương trình 1.17).
(1.17)

- 10 -