Nghiên cứu hệ enzyme thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp ứng dụng trong quá trình sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Thị Mai Hiên

NGHIÊN CỨU HỆ ENZYME THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ THẤP
ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN
TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Thị Mai Hiên

NGHIÊN CỨU HỆ ENZYME THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ THẤP
ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN
TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT
Chuyên ngành: Vi Sinh Vật Học
Mã số: 60.42.0107

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CBHD: TS. TRẦN THỊ THANH HUYỀN

Hà Nội - 2014


Lời cảm ơn
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Trần Thị Thanh Huyền, Bộ môn
Vi sinh vật học, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội người đã
trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ rất nhiều để tôi hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin cảm ơn toàn thể cán bộ phòng thí nghiệm trung tâm Công ty Cổ phần
Cồn Rượu Hà Nội, đặc biệt là Kĩ sư Công nghệ Nguyễn Thị Hà đã tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi khi nghiên cứu tại phòng thí nghiệm.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo đã dạy bảo tôi trong
suốt những năm học vừa qua. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã ở bên
tôi, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn.
Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2014
Học viên
Nguyễn Thị Mai Hiên


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN .................................................................................... 3
1.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM ........ 3
1.1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới .................................................... 3
1.1.2 Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam ...................................................... 5
1.2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT CỒN .............................................................. 8
1.2.1 Nguyên liệu chứa đường ....................................................................... 8
1.2.2 Nguyên liệu xenluloza ......................................................................... 8
1.2.3 Nguyên liệu giàu tinh bột..................................................................... 9
1.3 SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT .................... 14
1.3.1 Sản xuất cồn theo công nghệ truyền thống ........................................ 14

1.3.1.1 Quá trình nghiền nguyên liệu .................................................. 14
1.3.1.2 Quá trình nấu nguyên liệu ....................................................... 15
1.3.1.3 Quá trình thuỷ phân nguyên liệu ............................................. 15
1.3.1.4 Quá trình lên men .................................................................... 16
1.3.1.5 Quá trình chưng cất và tinh chế .............................................. 17
1.3.2 Một số tiến bộ trong sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột ......... 17
1.4 CÁC ENZIM THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ KHÔNG CAO 19
1.4.1 Hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường (Stargen 001).. 19
1.4.2 Enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thấp ........................................... 21
Chƣơng 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 23
2.1 NGUYÊN LIỆU ........................................................................................... 23


2.1.1 Sắn....................................................................................................... 23
2.1.2 Gạo ...................................................................................................... 23
2.1.3 Enzim .................................................................................................. 23
2.1.4 Nấm men ............................................................................................. 23
2.1.5 Hoá chất .............................................................................................. 24
2.1.6 Dụng cụ và thiết bị .............................................................................. 24
2.2 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .................................................................. 24
2.2.1 Xác định độ ẩm của nguyên liệu bằng phương pháp sấy ................... 24
2.2.2 Xác định hàm lượng chất khô ............................................................. 25
2.2.3 Đo pH .................................................................................................. 25
2.2.4 Xác định hàm lượng đường khử theo phương pháp Graxianop ......... 25
2.2.5 Xác định thành phần dịch đường ....................................................... 26
2.2.6 Xác định hàm lượng tinh bột theo phương pháp thủy phân bằng HCl..26
2.2.7 Xác định độ rượu trong giấm chín ...................................................... 27
2.3 PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT LÊN MEN .......................... 29
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 31
3.1 THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU ................................................................ 31

3.2 ỨNG DỤNG HỆ ENZIM THỦY PHÂN TINH BỘT SỐNG Ở NHIỆT ĐỘ
THƢỜNG (Stargen 001) TRONG QÚA TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ
GẠO…..31
3.2.1 Khảo sát quy trình công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Hà Nội.32
3.2.2 Động học quá trình thuỷ phân tinh bột gạo bởi enzim Stargen 001 .. 34
3.2.3 Ứng dụng enzim Stargen 001trong quá trình đường hoá và lên men đồng
thời .............................................................................................................. 36


3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến quá trình đường hoá và
lên men đồng thời ........................................................................................ 41
3.2.5 Ứng dụng hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường (Stargen
001) trong quá trình sản xuất cồn từ sắn lát ................................................. 43
3.2.6 Lợi ích của việc sử dụng hệ enzim thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ
thường……………………………………………………………………….43
3.3 ỨNG DỤNG ENZIM DỊCH HÓA Ở NHIỆT ĐỘ KHÔNG CAO TRONG
QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ SẮN LÁT .............................................. 44
3.3.1 Khảo sát quy trình công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Đồng
Xuân ............................................................................................................. 44
3.3.2 Khảo sát quy trình sản xuất cồn từ sắn có sử dụng enzim dịch hóa ở nhiệt
độ không cao Spezyme Extra....................................................................... 46
3.3.2.1 Sản xuất cồn từ sắn lát sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra và
enzim đường hoá Dextrozyme GA ...................................................... 46
3.3.2.2 Sản xuất cồn từ sắn lát sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra và
enzim đường hoá Distillase L-400 .................................................... 50
3.3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến quá trình thuỷ phân tinh
bột của Spezyme Extra ........................................................................ 53
3.3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ enzim Spezyme Extra đến quá trình dịch
hóa ....................................................................................................... 55
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 59


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Sản lượng cồn nhiên liệu của một số nước/vùng trên thế giới
Bảng 1.2: Sản lượng cồn của một số nhà máy sản xuất cồn có sản lượng lớn
Bảng 3.1: Thành phần nguyên liệu
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Hà Nội
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời điểm bổ sung nấm men đến hiệu quả quá trình
đường hoá và lên men đồng thời
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến quá trình đường hoá và
lên men đồng thời
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Đồng Xuân
Bảng 3.6: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hóa
Spezyme Extra và enzim đường hóa Dextrozyme GA
Bảng 3.7: Thông số công nghệ của quy trình sản xuất cồn từ sắn sử dụng Spezyme
Extra và Distillase L-400
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dịch hoá tới khả năng thuỷ phân
tinh bột của enzim Spezyme Extra
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dịch hoá đến hiệu quả quá trình
thủy phân sắn lát bằng enzim Spezyme Extra và Dextrozyme GA
Bảng 3.10: Ảnh hưởng của nồng độ enzim Spezyme Extra đến quá trình dịch hóa


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sản lượng cồn của một số nước/vùng trên thế giới qua các năm
Hình 1.1 Diện tích và sản lượng sắn cả nước
Hình 1.2 Sản lượng sắn thế giới giai đoạn 2005-2010

Hình 1.3 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp truyền thống
Hinh 1.4 Phân bố tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất cồn từ tinh bột
Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt
độ thường (Stargen 001)
Hình 1.6 Hạt tinh bột gạo chưa hồ hóa bị thủy phân bởi amylaza
Hình 3.1 Sơ đồ sản xuất cồn từ gạo theo công nghệ của nhà máy Rượu Hà Nội
Hình 3.2 Động học quá trình thuỷ phân tinh bột gạo bởi enzim Stargen 001
Hình 3.3 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo bởi enzim Stargen 001
Hình 3.4 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo bởi Termamyl SC và Dextrozyme GA
Hình 3.5 Sơ đồ quy trình đường hóa và lên men đồng thời sử dụng enzim Stargen
001
Hình 3.6 và 3.7 Nấm men giai đoạn bắt đầu vào thùng lên men
Hình 3.8 và 3.9 Nấm men sau 16h
Hình 3.10 và 3.11 Nấm men 32h
Hình 3.12 Động học quá trình đường hoá lên men đồng thời sử dụng enzim
thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường Stargen 001
Hình 3.13 Quy trình sản xuất cồn theo công nghệ của nhà máy Rượu Đồng Xuân
Hình 3.14 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra
và enzim đường hoá Dextrozyme GA


Hình 3.15 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra
và enzim đường hoá Distillase L-400
Hình 3.16 Động học sinh CO2 trong quá trình lên men dịch thủy phân sử dụng
các hệ enzim thủy phân khác nhau


MỞ ĐẦU

Ethyl alcohol (etylic) hay được gọi là cồn, có công thức hoá học là C 2H5OH,

có vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp (như công nghiệp nặng, công
nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm…), nông nghiệp, y tế. Cồn là nguyên liệu để
pha chế nhiều loại đồ uống phổ biến ở nhiều nước; cồn còn được dùng để sản xuất
nhiều loại hoá chất quan trọng như: axetaldehyt, axit axetic, các este, butanol,
glycol, vinyl axetat [6]… Những năm gần đây sản xuất cồn được xem là hướng ưu
tiên số một làm nhiên liệu để thay thế xăng ở các nước phát triển nhất là Brazil, Mỹ
và một số nước khác như Trung Quốc, Thái Lan…
Ngành công nghiệp sản xuất cồn đã có từ rất lâu đời. Kể từ năm 1800 khi
nhà máy sản xuất cồn đầu tiên ở Hà Lan được xây dựng [6], thì cho tới nay có hàng
loạt nhà máy đã được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới. Tính đến năm 2006,
tổng sản lượng cồn trên thế giới đã đạt tới con số 51 tỷ lít [25]. Trên thế giới cồn
được sản xuất theo hai con đường. Thứ nhất là lên men truyền thống từ các nguyên
liệu thô như rỉ đường (là phế phẩm của nhà máy sản xuất đường từ mía hay củ cải
đường) hoặc thuỷ phân các nguyên liệu có chứa tinh bột như ngô, lúa mạch, gạo…
hoặc từ sắn để thu lấy dịch đường rồi cho lên men và chưng cất. Thứ hai là tổng hợp
từ etylen. Xét về hiệu quả kinh tế thì phương án thứ hai có lợi thế hơn vì nguyên
liệu rẻ tiền. Nhưng xét về mặt chất lượng sản phẩm và khả năng đáp ứng về công
suất sản xuất và trang thiết bị đơn giản thì phương pháp lên men từ gluxit chiếm ưu
thế hơn nhiều. Hiện nay trên thế giới 95% cồn được sản xuất theo phương pháp lên
men, chỉ có 5% được sản xuất theo con đường tổng hợp hoá học [10].
Quá trình sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu có chứa tinh bột như gạo, ngô,
khoai, sắn…là một trong các quá trình công nghệ đã được biết đến từ lâu và phát
triển qua hàng thế kỷ. Công nghệ này đặc biệt phát triển với các nước có sản lượng
cây lương thực dồi dào như Brazil, Mỹ, Thái Lan, Trung Quốc…Việt Nam là nước
nằm ở vùng nhiệt đới, rất thích hợp cho việc trồng các cây lương thực như lúa, ngô,

1


TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt
1.

Hoàng Kim Anh, Ngô Kế Sương, Nguyễn Xích Liên (2005), Tinh bột sắn và
các sản phẩm từ tinh bột sắn. NXB Khoa học kỹ thuật.

2.

Đinh Thế Lộc (1997), Giáo trình cây lương thực, tập II, Cây màu. NXB
Nông nghiệp - Hà Nội.

3.

Tổng công ty rượu bia nước giải khát Việt Nam (2002), Quy hoạch tổng thể
phát triển ngành Rượu – Bia - Nước giải khát Việt Nam đến năm 2010.

4.

Lê Ngọc Tú, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẩn, Ngô Hữu Hợp, Đặng Thị Thu,
Nguyễn Trọng Cẩn (2003), Hoá học thực phẩm. NXB Khoa học và Kỹ thuật.

5.

Nguyễn Đình Thưởng, Nguyễn Thanh Hằng (2005), Công nghệ sản xuất và
kiểm tra cồn ethylic. NXB Khoa học kỹ thuật Hà nội.

6.

Quách Đĩnh, Nguyễn Văn Thoa, Nguyễn Văn Tiếp (1982), Sử dụng chế

phẩm enzim trong công nghiệp thực phẩm. NXB Khoa học kỹ thuật.

Tiếng Anh
7.

Christina A., Guido Z., Nelson T., Lo G. (2000), A kinetic model for
enzymatic wheat starch saccharification. Chemical Technology and
Biotechnology.

8.

Christoph B. (2004), World Fuel ethanol analysis and outlook. Ratzeburg,
Germany: F.O. Licht.

9.

Dilek K. A., Belma O. (2005), α-Amylase inactivation during rice starch
hydrolysis. Process Biochemistry. 40: p. 1367-1379

10.

Duan G., Sophia X., John Z., Soo K. T., Jay S. (2007), Non-Conventional
process for ethanol production.

11.

Duan G., Sophia X. ,Surendra B., Jay S. (2008), No cook Process for Rice to
alcohol using Stargen 001.

2

12.

William H., Martin S., Bernard H. (1996), "Electron microscopic
investigation of the diffusion of Bacillus licheniformis α-amylase into corn
starch granules". International Journal of Biological Macromolecules. 19: p.
165-169

13.

Ikegami T., Kitamoto D. , Negishi H., Imura T., Yanagishita H., Bioethanol
production by a coupled fermentation/pervaporation process using silicalite
membranes coated with silicone rubbers. Green Processes Group, Research
Institute for Green Technology, National Institute of Advanced Industrial
Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki 305-8565, Japan.

14.

Mathewson S.W. (1980), The manual for the home and farm production of
alcohol fuel. Ten speed press cpoyright 1980 J.A Diaz publications out of
print.

15.

Ljiljana M., Svetlana N., Marica R., Maja V. (2006), Production of
bioethanol from corn meal hydrolyzates. Fuel, 85: p. 1750-1755.

16.

Karin O., Andreas R., Mats G., Guido Z.(2006)," Fuel ethanol production
from steam-pretreated corn stover using SSF at high dry matter content".
Biomass and Bioenergy, 30: p. 863-869.

17.

Vivek S., Kent D. R., Mike E. T., Vijay S. (2007), Comparison between
granular starch hydrolyzing enzyme and conventional enzyme for ethanol
production from maize starch with different amylose:amylopectin ratios.
Agricultural and Biological Engineering, University of Illinois at UrbanaChampaign, IL, USA, 59: p. 549-556.

18.

Emile V. Z., Conversion of small grains biomass to bioethanol. Department
Microbiology University of Stellenbosch.

19.

Shengdong Z., Yuanxin W., Ziniu Y., Yongping X., Shaoyong T. (2005),
"Simultaneous saccharification and fermentation of microwave/alkali pretreated rice straw to ethanol". Biosystems Engineering, 92(2): p. 229-235.

3


Website
20.

/>
21.
22.

/>.

23.

/>
24.

/>
25.

/>
26.

.

27.

.

28.

.

29.

.

30.

.

31.

rgy. gov/data.

32.

/>
4