Ứng dụng sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả quá trình dịch hóa bột gạo báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t nckh 2012 48

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

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ
ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG
Tên đề tài:

ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM ĐỂ
NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH
DỊCH HĨA BỘT GẠO

Mã số đề tài: T-NCKH-2012-48
Thời gian thực hiện: 2/2012 – 8/2013
Chủ nhiệm đề tài: Trần Thị Thu Trà

Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 03/2013
i


Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài

1.

ThS. Trần Thị Thu Trà – Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Kỹ thuật Hóa học

2.

PGS TS. Lê Văn Việt Mẫn – Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Kỹ thuật Hóa học

ii

MỤC LỤC
Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài ............................................... ii 
MỤC LỤC ...................................................................................................... iii 
DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................ iv 
DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................. v 
1.  Đặt vấn đề .................................................................................................. 1 
2.  Mục tiêu đề tài ........................................................................................... 1 
3.  Nguyên liệu, thiết bị và phương pháp nghiên cứu ..................................... 1 
3.1. 

Nguyên liệu ............................................................................................ 1 

3.2. 

Thiết bị ................................................................................................... 1 

3.3. 

Phương pháp đo ..................................................................................... 2 

3.4. 

Công thức tính tốn................................................................................ 3 

4.  Các kết quả đạt được .................................................................................. 4 
4.1.  Vấn đề 1: Khảo sát ảnh hưởng của quá trình siêu âm (khơng có sự tham gia của
enzyme) lên q trình hồ hóa bột gạo.................................................................... 4 
4.1.1.  Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm ................................... 5 

4.1.2.  Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ bột: nước của huyền phù bột gạo ........ 7 
4.1.3.  Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hiệu quả quá
trình xử lý siêu âm khi hồ hố bột gạo .................................................................................... 8 
4.1.4.  Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian siêu âm ................................. 9 
4.1.5.  Bàn luận vấn đề 1 ............................................................................................... 11 
4.2.  Vấn đề 2: Khảo sát ảnh hưởng của q trình siêu âm có sự tham gia của
enzyme amylase lên q trình dịch hóa bột gạo .................................................................... 13 
4.2.1.  Thí nghiệm 5: Khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm đến hoạt tính của enzyme
amylase trong điều kiện khơng điều nhiệt ............................................................................. 13 
4.2.2.  Thí nghiệm 6: Khảo sát q trình dịch hố bột gạo bằng cách kết hợp đồng
thời sóng siêu âm và chế phẩm Termamyl 120L đến hiệu quả quá trình .............................. 21 
4.2.3.  Kết luận của vấn đề 2 ......................................................................................... 24 
5.  Kết luận và kiến nghị ............................................................................... 24 
5.1. 

Kết luận ................................................................................................ 24 

5.2. 

Kiến nghị .............................................................................................. 25 

6.  Tài liệu tham khảo ................................................................................... 26 
7.  Báo cáo kinh phí đã chi kể cả các nguồn khác ngoài ngân sách nhà nước và báo cáo
Error! Bookmark not defined. 
iii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1: Các thông số của thiết bị siêu âm ............................................................................... 1 
Bảng 2: Thời điểm lấy mẫu của các thí nghiệm ...................................................................... 5 

Bảng 3: Các điều kiện thay đổi trong TN 5.1 và 5.2 ............................................................. 14 
Bảng 4: Bố trí thí nghiệm và kết quả thực nghiệm của TN 5.1 ............................................. 14 
Bảng 5: Ảnh hưởng của các biến độc lập đến hoạt tính của enzyme trong TN 5.1 .............. 14 
Bảng 6: Kết quả phân tích ANOVA của TN 5.1 ................................................................... 15 
Bảng 7: Kết quả thí nghiệm TN5.2 ........................................................................................ 16 
Bảng 8: Giá trị các hằng số trong phương trình biểu diễn ảnh hưởng của thời gian và công
suất siêu âm đến hoạt tính glucoamylase của chế phẩm Dextrozyme GA ........................... 16 
Bảng 9: Kết quả phân tích kiểm định sự tương thích của phương trình hồi quy với thực
nghiệm của loạt thí nghiệm TN5.2 ........................................................................................ 17 
Bảng 10: Kết quả các thí nghiệm kiểm chứng điều kiện tối ưu tính tốn được từ phương
trình hồi quy ........................................................................................................................... 17 
Bảng 11: Hàm lượng protein hòa tan trong các mẫu chế phẩm Termamyl 120L với các điều
kiện xử lí siêu âm khác nhau.................................................................................................. 20 
Bảng 12: Hàm lượng protein hòa tan trong các mẫu chế phẩm Dextrozyme GA với các điều
kiện xử lí siêu âm khác nhau.................................................................................................. 20 

iv


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1: Thiết bị siêu âm, gia nhiệt và khuấy ........................................................................... 2 
Hình 2: Sơ đồ tiến trình thực hiện các thí nghiệm của vấn đề 1 .............................................. 4 
Hình 3: Hai điểm nhiệt độ bắt đầu quá trình siêu âm .............................................................. 5 
Hình 4: Biến đổi độ nhớt của huyền phù bột gạo 12% ............................................................ 6 
Hình 5: Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu siêu âm đến mức độ giảm nhớt của huyền phù bột
gạo ............................................................................................................................................ 6 
Hình 6: Ảnh hưởng tỷ lệ bột: nước của huyền phù bột gạo đến hiệu quả của q trình hồ hóa
bột gạo ...................................................................................................................................... 8 
Hình 7: Ảnh hưởng của cơng suất siêu âm đến hiệu quả q trình hồ hố bột gạo ................ 9 
Hình 8: Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hiệu quả q trình hồ hố bột gạo ............... 10 

Hình 9: Ảnh hưởng của công suất và thời gian siêu âm lên hoạt tính của chế phẩm
Termamyl 120L ..................................................................................................................... 15 
Hình 10: Ảnh hưởng của thời gian và công suất siêu âm lên hoạt tính glucoamylase của chế
phẩm Dextrozyme GA ........................................................................................................... 17 
Hình 11: Kết quả phân tích điện di các mẫu chế phẩm Termamyl 120L và Dextrozyme GA
ở các chế độ xử lí siêu âm khác nhau .................................................................................... 20 
Hình 12: Sơ đồ thời gian thực hiện siêu âm và lấy mẫu ở loạt TN6 ..................................... 22 
Hình 13: Ảnh hưởng của thời điểm siêu âm – bổ sung enzyme đến hàm lượng đường khử
trong hỗn hợp dịch hoá huyền phù bột gạo 12% ................................................................... 23 

v


1. Đặt vấn đề
Theo quy trình sản xuất truyền thống để sản xuất ethanol theo quy mô công nghiệp từ
nông sản thì hạt hay củ cần được nghiền để giải phóng tinh bột, sau đó qua q trình dịch
hóa và đường hóa bằng enzyme. Tuy nhiên, q trình truyền thống cần sử dụng lượng
enzyme cao và thời gian xử lý dài, do đó cho năng suất sản xuất ethanol thấp
(Nitayavardhana, S. và cộng sự, 2008). Vì vậy, các yêu cầu đặt ra cho các nhà máy sản xuất
ethanol hiện nay là sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ và sẵn có, rút ngắn thời gian lên men,
giảm chi phí sản xuất, quy trình đơn giản… Từ đó, sóng siêu âm trở thành đối tượng nghiên
cứu nhằm đáp ứng các yêu cầu trên.
2. Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài nghiên cứu này là thử nghiệm sử dụng 1 giải pháp cơng nghệ mới:
xử lý ngun liệu bột gạo bằng sóng siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả thủy phân.
3. Nguyên liệu, thiết bị và phương pháp nghiên cứu
3.1. Nguyên liệu
Bột gạo sử dụng trong nghiên cứu này được cung cấp bởi nhà máy rượu Bình Tây. Bột
có kích thước nhỏ hơn 180 µm. Thành phần hóa học cơ bản của bột gạo như sau: tinh bột
77.6%, đường khử 0.22%, protein 6.3%, xơ thô 0.5%, tro thô 0.3%.

Chế phẩm enzyme α-amylase chịu nhiệt Termamyl 120L có hoạt tính là 120 KNU/g
(Kilo Novo Unit). Chế phẩm enzyme glucoamylase có tên thương mại là Dextrozyme GA.
Chế phẩm có hoạt tính 270 AGU/g (AmyloGlucosidase Unit). Một AGU được định nghĩa là
lượng enzyme cần thiết để xúc tác thủy phân ra 1 µmol đường maltose trong 1 phút ở điều
kiện nồng độ cơ chất 10 mg/mL; nhiệt độ 37oC; pH 5.0; thời gian phản ứng 30 phút. Cả hai
chế phẩm đều do hãng Novozymes (Đan Mạch) sản xuất và được cung cấp bởi công ty Nam
Giang TP.HCM.
Các hóa chất phân tích do hãng Merck (Đức) sản xuất.
3.2. Thiết bị
• Thiết bị siêu âm dạng thanh của hãng Sonics Vibra Cell, hiệu VC 750 có các thơng số
được trình bày trong Bảng 1
Bảng 1: Các thơng số của thiết bị siêu âm
Thông số
Công suất
Tần số siêu âm
Đường kính
Thanh siêu âm
Chiều dài
Khối lượng

Tối đa 750W
20kHz
13mm
136mm
340g
1


• Thiết bị gia nhiệt và khuấy: Gia nhiệt và giữ nhiệt và khuấy trộn hỗn hợp thí nghiệm.
Thiết bị hình trụ kích thước: cao 40cm, đường kích 25cm, có bộ phận gia nhiệt và ổn

nhiệt tự động Hình 1

Hình 1: Thiết bị siêu âm, gia nhiệt và khuấy
• Thiết bị ly tâm: dùng để ly tâm mẫu thu phần dịch trong, chuẩn bị cho việc xác định hàm
lượng TBHT và hàm lượng đường khử. Sử dụng thiết bị của hãng Hettich Zentrifugen,
hiệu EBA 21. Tốc độ ly tâm 3500rpm trong thời gian 20 phút
3.3. Phương pháp đo
• Xác định hàm lượng tinh bột hòa tan
- Nguyên tắc: Cải tiến phương pháp của FuWa (1954), dựa trên phản ứng tạo màu giữa
tinh bột và thuốc thử liugon. Thuốc thử liugon ban đầu có màu vàng, sẽ cho một dãy
màu xanh tím với cường độ màu khác nhau tùy thuộc vào hàm lượng tinh bột. Cường
độ màu của hỗn hợp phản ứng tỷ lệ thuận với hàm lượng tinh bột còn sót lại sau q
trình thủy phân, hay là tỷ lệ nghịch với hàm lượng tinh bột đã bị thủy phân, xét trong
một phạm vi nhất định, được đo bằng máy quang phổ so màu. Từ kết quả độ hấp thu
có được, dựa vào công thức để suy ra mức độ thủy phân tinh bột của enzyme. Hợp
chất tạo thành có độ hấp thu mạnh nhất trong khoảng bước sóng 600 – 640nm, với
khoảng tin cậy của giá trị độ hấp thu là 0,2 – 0,8.
- Cách thực hiện: Sau khi lấy mẫu, ly tâm mẫu với tốc độ ly tâm 3500rpm trong 20
phút rồi lấy mẫu từ phần dịch trong sau khi ly tâm tác dụng với thuốc thử Iod (0,3%
Iod trong 3% KI). Đo độ hấp thu DO tại bước sóng 620nm bằng máy quang phổ so
màu trong vùng nhìn thấy được GENESYS 20.
• Xác định hàm lượng đường khử
- Nguyên tắc: Phương pháp này dựa trên phản ứng tạo màu giữa đường khử với thuốc
thử 3,5 – dinitrosalicylic acid (thuốc thử DNS). DNS có màu vàng trong dung dịch
2


kiềm sẽ bị khử thành acid 3-amino-5-nitrosalicylic có màu đỏ cam. Cường độ màu
của hỗn hợp phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ đường khử trong một phạm vi nhất
định, được đo bằng máy quang phổ so màu. Dựa theo đồ thị đường chuẩn của glucose

tinh khiết với thuốc thử, ta sẽ tính được hàm lượng đường khử của mẫu nghiên cứu.
Hợp chất tạo thành có độ hấp thu mạnh nhất trong khoảng bước sóng 540 – 600nm
với khoảng tin cậy của giá trị độ hấp thu là 0,2 – 0,8 (Miller, 1959).
- Cách thực hiện: Sau khi lấy mẫu, ly tâm mẫu với tốc độ ly tâm 3500rpm trong 20
phút rồi lấy mẫu từ phần dịch trong cho tác dụng với thuốc thử DNS. Đo độ hấp thu
màu DO ở bước sóng 540nm bằng máy quang phổ so màu trong vùng nhìn thấy được
GENESYS 20.
3.4. Cơng thức tính tốn
• Mức độ giảm độ nhớt:
100%

∆

Phương trình 1

• Hiệu quả tăng tinh bột hồ tan:
∆

100%

Phương trình 2

• Cơng suất siêu âm
/

Phương trình 3

• Năng lượng sóng siêu âm giải phóng 1g tinh bột hồ tan
.V(J/g TBHT)

Phương trình 4

• Năng lượng nhiệt giải phóng 1g tinh bột hồ tan
J/g TBHT

Phương trình 5

• Hiệu quả sử dụng năng lượng
100%

∆

Phương trình 6

Trong đó:
ηSA: Độ nhớt hỗn hợp siêu âm (cP)
ηgiữ nhiệt: Độ nhớt hỗn hợp đối chứng (cP)
CTBHT-SA: hàm lượng tinh bột hoà tan trong mẫu siêu âm (g/L)
3


CTBHT-giữ nhiệt: hàm lượng tinh bột hoà tan trong mẫu đối chứng (g/L)
PSA: Công suất siêu âm (W/g bột)
ESA: Năng lượng máy siêu âm sử dụng (W)
EN: Năng lượng thiết bị gia nhiệt (W)
tSA: Thời gian siêu âm (giây)
t giữ nhiệt: Thời gian giữ nhiệt (giây)
mbột: Lượng bột gạo trong huyền phù được xử lý siêu âm (g)
mTBHT-SA: lượng tinh bột hoà tan trong mẫu siêu âm (g)
mTBHT-giữ nhiệt: lượng tinh bột hoà tan trong mẫu đối chứng (g)

4. Các kết quả đạt được
4.1. Vấn đề 1: Khảo sát ảnh hưởng của q trình siêu âm (khơng có sự tham gia của
enzyme) lên q trình hồ hóa bột gạo
• Mục đích của khảo sát này nhằm xác định các quy luật ảnh hưởng của sóng siêu âm lên
q trình nấu bột gạo giải phóng tinh bột trong điều kiện khơng có sự hỗ trợ của enzyme
• Sơ đồ tiến trình thực hiện thí nghiệm
Huyền phù bột gạo
Gia nhiệt đến nhiệt độ siêu âm
Giữ nhiệt

Siêu âm

Gia nhiệt lên
Ủ nhiệt tại 900C
Hình 2: Sơ đồ tiến trình thực hiện các thí nghiệm của vấn đề 1

• Thơng số cố định:
Lượng mẫu thí nghiệm 500g
Tổng thời gian hồ hoá – dịch hoá: 60 phút.
• Thơng số thay đổi lần lượt:
TN1: Nhiệt độ bắt đầu thực hiện quá trình siêu âm: Tại 2 nhiệt độ như hình
bên dưới. Điểm 1 là nhiệt độ bắt đầu hồ hóa, điểm 2 là thời điểm đạt đỉnh nhớt
4


Hình 3: Hai điểm nhiệt độ bắt đầu quá trình siêu âm
TN2: Tỷ lệ bột: nước (nồng độ bột gạo) thay đổi trong khoảng 15 – 33%
TN3: Cơng suất sóng siêu âm (tính theo đơn vị W/g bột gạo)
TN4: Thời gian tác động sóng siêu âm: 1 đến 5 phút
• Các thông số cần xác định: Tỷ số thay đổi độ nhớt hỗn hợp hay hàm lượng tinh bột hòa

tan giữa các mẫu chịu tác động của sóng siêu âm với mẫu đối chứng (khơng chịu tác
động của sóng siêu âm) trong cùng điều kiện. Xây dựng các đồ thị biểu diễn ảnh hưởng
của các thông số thay đổi trong q trình siêu âm lên lượng tinh bột hịa tan khi nấu
bột gạo nhằm giải phóng tinh bột
• Cách tiến hành:
Mẫu đối chứng (C): gia nhiệt mẫu lên đến nhiệt độ siêu âm, giữ ở nhiệt độ đó trong
khoảng thời gian bằng với thời gian siêu âm (phút). Sau đó gia nhiệt mẫu lên 90oC và giữ
nhiệt cho đến khi kết thúc thí nghiệm.
Mẫu siêu âm (U): gia nhiệt mẫu lên đến nhiệt độ siêu âm, siêu âm mẫu với công suất
siêu âm (W/g) và thời gian siêu âm (phút) cần khảo sát. Sau đó gia nhiệt mẫu lên 90oC và
giữ nhiệt cho đến khi kết thúc thí nghiệm.
• Thời điểm lấy mẫu phân tích: Thời điểm lấy mẫu để xác định tinh bột hoà tan và đường
khử trong các thí nghiệm hồ hố – dịch hố bột gạo được trình bày trong Bảng 2
Bảng 2: Thời điểm lấy mẫu của các thí nghiệm
STT
Thời điểm lấy mẫu (phút)

1
Trước SA

2
Sau SA

3
30

4
35

5

40

6
45

7
50

8
55

9
60

4.1.1. Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm
• Mục đích thí nghiệm: khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tiến hành quá trình siêu âm
đến hiệu quả của q trình hồ hóa bột gạo. Hiệu quả q trình hồ hố được đánh giá
thơng qua mức độ giảm nhớt của hỗn hợp.
5


• Thơng số cố định: Trong loạt thí nghiệm này thời gian siêu âm/giữ nhiệt và công suất
siêu âm cố định là 5 phút và 2.5W/g tinh bột.
• Thơng số thay đổi: Hai điểm nhiệt độ bắt đầu thực hiện quá trình siêu âm: Điểm 1 là
nhiệt độ bắt đầu hồ hóa, điểm 2 là nhiệt độ khi độ nhớt đạt cực đại
• Kết quả và nhận xét
25000

Đỉnh nhớt [Y VALUE]
cP

Độ nhớt (cP)

20000

15000

10000
Bắt đầu tăng
độ nhớt
[Y VALUE] cP

5000

0
65

70

75

80
Nhiệt độ

85

90

95

(oC)

Hình 4: Biến đổi độ nhớt của huyền phù bột gạo 12%

Mức độ giảm độ nhớt (%)

25
20

19.58

15
10

7.39

5
0
Siêu âm tại nhiệt độ bắt đầu tăng nhớt

Siêu âm tại đỉnh nhớt

Hình 5: Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu siêu âm đến mức độ giảm nhớt của huyền phù
bột gạo
Dựa vào đồ thị biểu diễn độ nhớt của huyền phù bột gạo theo nhiệt độ (Hình 4), nhận
thấy độ nhớt của huyền phù bột gạo bắt đầu thay đổi có ý nghĩa thống kê từ 25cP ở 680C lên
47cP ở nhiệt độ 700C. Như vậy, 700C là điểm nhiệt độ bắt đầu tăng độ nhớt. Tại nhiệt độ
khoảng 90oC thì độ nhớt huyền phù cao nhất 22370cP, hơn hẳn so với độ nhớt ở các nhiệt
độ lân cận. Do đó nhiệt độ huyền phù bột gạo 12% đạt đỉnh nhớt là 900C.
6

Khi tiến hành siêu âm huyền phù bột gạo ở 700C và 900C trong thời gian 5 phút, công
suất 2,5W/g bột gạo thì độ nhớt của hỗn hợp đều giảm so với mẫu đối chứng. Mức độ giảm
nhớt của huyền phù bột gạo khi thực hiện quá trình siêu âm mẫu tại “nhiệt độ bắt đầu tăng
nhớt” (700C) nhiều hơn gấp đơi so với sóng siêu âm tác động vào hỗn hợp đã đạt đến đỉnh
nhớt (900C).
• Kết luận
Khi xử lý siêu âm tinh bột khơng enzyme thì tại nhiệt độ bắt đầu tăng nhớt (700C) sẽ cho
hiệu quả cao nhất. Do đó, nhiệt độ này sẽ được sử dụng để thực hiện các thí nghiệm tiếp
theo.
4.1.2. Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ bột: nước của huyền phù bột gạo
• Mục đích thí nghiệm: khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ bột: nước của huyền phù bột gạo đến
hiệu quả của q trình hồ hóa bột gạo. Hiệu quả q trình hồ hố được đánh giá
thơng qua mức độ tăng hàm lượng tinh bột hoà tan trong hỗn hợp sau 1 giờ hồ hố.
• Thơng số cố định: Trong loạt thí nghiệm này thời gian siêu âm/giữ nhiệt và công suất
siêu âm cố định là 5 phút và 7.5W/g tinh bột.
• Thơng số thay đổi: tỷ lệ bột: nước của huyền phù bột gạo từ 6% đến 30%
• Kết quả và nhận xét
Trong trường hợp khơng có tác động của sóng siêu âm, dưới tác động của nhiệt độ các
hạt tinh bột bị vỡ ra, giải phóng các phân tử amylose và amylopectin làm tăng hàm lượng
tinh bột hoà tan trong hỗn hợp. Khi huyền phù chịu tác động của sóng siêu âm lượng tinh
bột hồ tan tăng so với mẫu đối chứng. Mức độ tăng phụ thuộc vào hàm lượng bột trong
huyền phù. Khi hàm lượng bột trong huyền phù tăng từ 6 lên 12%, lượng tinh bột hoà tan
tăng nhanh. Khi hàm lượng bột lớn hơn 12%, tốc độ tăng tinh bột hoà tan giảm dần. Hiệu
quả tăng hàm lượng tinh bột hoà tan cao nhất 42.26% so với mẫu đối chứng ở hàm lượng
huyền phù 12%.
Xét về năng lượng siêu âm cần tiêu tốn để giải phóng ra 1g tinh bột hồ tan, ở hàm lượng
huyền phù bột gạo 12% là thấp nhất, bằng 98% so với sử dụng nhiệt năng.

7


9

Lượng tinh bột hoà tan (g/L)

8

120

[Y VALUE] %

7

100

6

80

5

60

42.26

4

40

3

20

2

0
0

6

12
18
24
Nồng độ huyền phù (%)

30

Hiệu quả so với mẫu đối chứng (%)

140

36

Hàm lượng TBHT mẫu SA
Hàm lượng TBHT mẫu ĐC

Hình 6: Ảnh hưởng tỷ lệ bột: nước của huyền phù bột gạo đến hiệu quả của q trình hồ
hóa bột gạo

• Kết luận
Khi xử lý siêu âm tinh bột khơng enzyme thì tại nhiệt độ bắt đầu tăng nhớt (700C) và
hàm lượng bột 12% sẽ cho hiệu quả cao nhất. Do đó, nhiệt độ và hàm lượng bột này sẽ
được sử dụng để thực hiện các thí nghiệm tiếp theo.
4.1.3. Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hiệu quả q
trình xử lý siêu âm khi hồ hố bột gạo
• Mục đích thí nghiệm: khảo sát ảnh hưởng của cơng suất siêu âm đến hiệu quả của
q trình thuỷ phân tinh bột bằng cách khảo sát hàm lượng TBHT
• Thơng số cố định: Nhiệt độ siêu âm: 700C và thời gian siêu âm/giữ nhiệt: 5 phút.
• Thơng số thay đổi: Công suất siêu âm: thay đổi từ 2.5W/g tinh bột đến 7.5W/g tinh
bột.
• Kết quả và nhận xét
Ảnh hưởng của công suất siêu âm lên hiệu quả quá trình hồ hố bột gạo được trình bày
trong Hình 7. Khi công suất siêu âm tăng từ 2.5 đến 7.5 W/g bột, hiệu quả tăng tinh bột hoà
tan so với mẫu đối chứng tăng từ 19.6 đến 42.3%. Mức độ tăng tinh bột hoà tan của mẫu
chịu tác động siêu âm so với mẫu đối chứng tuyến tính với cơng suất siêu âm trong khoảng
khảo sát từ 2.5 đến 7.5W/g bột (Phương trình 7).
∆

5.51

3.07

Phương trình 7

Với R² = 0.9758
8


9

120

8

[Y VALUE] %

100

7
6

80

5

[Y VALUE] %

[Y VALUE]%

4

60

3

40
[Y VALUE]%

2

20

1
0

Hiệu quả so với mẫu đối chứng (%)

Hàm lượng tinh bột hoà tan (g/L)

Điều đó có nghĩa là càng tăng cơng suất siêu âm thì hiệu quả hồ hố tinh bột sẽ càng
cao. Tuy nhiên nếu xét về mặt năng lượng thì càng tăng công suất siêu âm năng lượng cần
tiêu tốn để giải phóng ra 1 g tinh bột hồ tan sẽ càng tăng. Trong khoảng khảo sát từ 2.5
đến 7.5W/g bột, năng lượng sóng siêu âm sử dụng để giải phóng ra 1g tinh bột đang tăng từ
39.2% lên 98.83% so với năng lượng nhiệt cần tiêu tốn để giải phóng ra 1g tinh bột hồ tan.
Do đó, nếu tăng cơng suất siêu âm lên cao hơn nữa thì khơng có lợi về mặt năng lượng.
Chính vì vậy, giá trị cơng suất siêu âm 7.5W/g bột là giá trị tối ưu trong nghiên cứu này.

0
0

1

Hàm lượng TBHT

2

3
4
5

6
Công suất siêu âm (W/g bột)
Hiệu quả tăng TBHT

7

8

Hiệu quả sử dụng năng lượng

Hình 7: Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hiệu quả quá trình hồ hố bột gạo
• Kết luận
Khi xử lý siêu âm tinh bột khơng enzyme thì tại nhiệt độ bắt đầu tăng nhớt (700C), hàm
lượng bột 12% và công suất siêu âm 7.5 W/g bột sẽ cho hiệu quả cao nhất. Do đó, nhiệt độ,
hàm lượng bột và cơng suất này sẽ được sử dụng để thực hiện các thí nghiệm tiếp theo.
4.1.4. Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian siêu âm
• Mục đích thí nghiệm: khảo sát ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hiệu quả của quá
trình thuỷ phân tinh bột bằng cách khảo sát hàm lượng TBHT
• Thơng số cố định: Nhiệt độ siêu âm: 700C; Cơng suất siêu âm: 7.5W/g tinh bột.
• Thông số thay đổi: Thời gian siêu âm/giữ nhiệt: 1 phút đến 5 phút.
• Kết quả và nhận xét

9


120

8

[Y VALUE]%

100

7
6

80

5

60
[Y VALUE]%

4
[Y VALUE]%

3

40

2

20

1
[Y VALUE]%

0
0

1

0
2

3

4

5

Hiệu quả so với mẫu đối chứng (%)

Hàm lượng tinh bột hoà tan (g/L)

9

6

Thời gian siêu âm/giữ nhiệt (phút)
Hàm lượng TBHT mẫu SA
Hàm lượng TBHT mẫu ĐC
Hiệu quả tăng TBHT
Hiệu quả sử dụng năng lượng

Hình 8: Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hiệu quả q trình hồ hố bột gạo
Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hiệu quả q trình hồ hố bột gạo được trình bày
trong Hình 8. Với cơng suất siêu âm là 7.5W/g bột, khi thời gian sóng siêu âm tác động tăng
từ 1 lên 5 phút, hiệu quả tăng hàm lượng tinh bột hoà tan trong mẫu tăng từ 17.85 lên 42.29%
so với mẫu giữ nhiệt trong cùng thời gian siêu âm. Mức độ tăng tinh bột hoà tan của mẫu
chịu tác động siêu âm so với mẫu đối chứng tuyến tính với thời gian siêu âm trong khoảng

khảo sát từ 1 đến 5 phút (Phương trình 8). Điều đó có nghĩa là càng tăng thời gian siêu âm
thì hiệu quả hồ hoá tinh bột sẽ càng cao. Tuy nhiên nếu xét về mặt năng lượng thì càng tăng
thời gian siêu âm năng lượng cần tiêu tốn để giải phóng ra 1 g tinh bột hồ tan sẽ càng tăng.
Trong khoảng khảo sát từ 1 đến 5 phút, năng lượng sóng siêu âm sử dụng để giải phóng ra
1g tinh bột đang tăng từ 23.86% lên 98.83% so với năng lượng nhiệt cần tiêu tốn để giải
phóng ra 1g tinh bột hồ tan. Do đó, nếu tăng thời gian siêu âm lên cao hơn nữa thì khơng
có lợi về mặt năng lượng. Chính vì vậy, giá trị thời gian siêu âm 5 phút là giá trị tối ưu
trong nghiên cứu này.
∆

5.65

13.89

Phương trình 8

Với R² = 0.9675
• Kết luận
Khi xử lý siêu âm tinh bột khơng enzyme thì tại nhiệt độ bắt đầu tăng nhớt (700C), hàm
lượng bột 12%, công suất siêu âm 7.5 W/g bột và thời gian siêu âm 5 phút sẽ cho hiệu quả
cao nhất. Do đó, nhiệt độ, hàm lượng bột và công suất này sẽ được sử dụng để thực hiện
các thí nghiệm tiếp theo.

10


4.1.5. Bàn luận vấn đề 1
Khi sóng siêu âm truyền trong môi trường chất lỏng hay dung dịch huyền phù, nó tạo ra
hiện tượng sủi bong bóng (Flin, 1991; Suslick, 1990) và xuất hiện những dịng xốy
(Faraday, 1831). Hiện tượng này dẫn đến sự hình thành và biến mất của các bong bóng khí

và bong bóng hơi khi áp suất âm thay đổi. Các vi bong bóng được hình thành, dao động và
tăng kích thước lên gấp nhiều lần, sau đó đột ngột vỡ tung. Hiện tượng này tạo ra lực cắt
thủy động lực học mạnh mẽ trong khối chất lỏng (Kuttruff, 1991).
Theo James G. Brennan (2006) trong các chất lỏng có độ nhớt cao, ta cần sử dụng sóng
siêu âm có biên độ và cơng suất lớn. Sóng siêu âm tần số thấp, năng lượng cao dễ xâm nhập
vào các sản phẩm nhớt hơn sóng siêu âm có tần số cao. Nguyên nhân là do sóng tần số cao
dễ bị phân tán vào dung dịch, do đó làm giảm năng lượng tổng thể cuả sóng siêu âm.
Trong trường hợp siêu âm hỗn hợp khơng có sự hỗ trợ của enzyme, kết quả thí nghiệm
cho thấy hàm lượng TBHT tăng nhiều nhưng hàm lượng đường khử tăng ít do sóng siêu âm
và nhiệt độ trong hỗn hợp chưa cao, chỉ đủ năng lượng để phá vỡ một phần hạt tinh bột và
giải phóng các phân tử tinh bột khỏi hạt. Do đó, chủ yếu chỉ diễn ra q trình hồ hóa và dịch
hố, cịn q trình đường hố diễn ra không đáng kể. Như ta đã biết, cấu tạo tinh bột gồm
các phân tử amylose và amylopectin. Khi được cung cấp thêm năng lượng từ nhiệt, các phân
tử nước nhận thêm năng lượng sẽ chuyển động mạnh hơn, va chạm bên ngoài và khuếch tán
vào bên trong gây ra trương nở hay phá vỡ hạt tinh bột. Do đó, kích thước hạt tinh bột sau
khi gia nhiệt sẽ lớn hơn so với ban đầu. Khi siêu âm, các bong bóng sinh ra có động năng
lớn sẽ tăng các lực cơ học tác động lên hạt nên kích thước hạt tinh bột giảm hơn so với mẫu
chỉ gia nhiệt. Dưới tác dụng của sóng siêu âm, các phân tử tinh bột đã được khuếch tán ra
môi trường sẽ dao động mạnh hơn nên dễ bị cắt mạch hơn, do đó siêu âm làm giảm độ dài
chuỗi phân tử tinh bột tạo TBHT. MartijnWillem Anton Kuijpers (2004) cho rằng khi bong
bóng xâm thực nổ, chúng sẽ tạo ra một lượng nhiệt cục bộ cực lớn, chính nhiệt độ này cũng
góp phần phá hủy mạch polymer. Tuy nhiên đứt mạch do nhiệt là ngẫu nhiên, đây là một
trong những nguyên nhân làm tăng chủ yếu là lượng TBHT.
Trong mơi trường có độ nhớt cao, khả năng hình thành bong bóng khó hơn nhưng mật
độ phân tử xung quanh bong bóng cao hơn, do đó khi bong bóng vỡ, sự xác suất va chạm
giữa bong bóng và các phân tử sẽ lớn hơn, vì vậy hàm lượng TBHT được tăng lên. Tuy
nhiên, nếu độ nhớt hồ tinh bột quá cao thì số lượng bong bóng ít hơn sẽ làm giảm bớt hiệu
quả thủy phân nhờ sóng siêu âm. Các kết quả thí nghiệm này phù hợp với các nghiên cứu
của Antti Gronroos và cộng sự (2007) về ảnh hưởng nồng độ polymer đến hiệu quả của quá
trình siêu âm, khi nồng độ polymer tăng làm độ nhớt dung dịch tăng theo, khi đó tác dụng

của sóng siêu âm sẽ giảm đi đáng kể. Ta đã biết, hiện tượng xâm thực khí trong mơi trường
lỏng đòi hỏi một giá trị tuyệt đối của áp suất âm đủ lớn để thắng được lực liên kết tự nhiên
trong chất lỏng. Do đó, q trình xâm thực sẽ khó khăn hơn nếu độ nhớt của chất lỏng cao
vì khi đó lực liên kết giữa các phân tử sẽ lớn hơn. Trong q trình hồ hóa khơng enzyme, độ
11


nhớt của tinh bột rất cao mạng lưới tinh bột trở nên cực kỳ dày đặc, sóng siêu âm chỉ có thể
tác động lên một phần khá nhỏ của mạng lưới này. Các kết quả thí nghiệm này cũng thống
nhất với phát biểu của Yasuo Iida và cộng sự (2006) khi nghiên cứu trên một số loại tinh bột
như khoai mì, khoai tây, khoai lang, bắp nếp,… cho thấy nồng độ huyền phù bột cao (1520%) là giới hạn cho mức độ tăng hiệu quả dưới tác động của sóng siêu âm.
Như vậy khi hàm lượng chất khô trong huyền phù bột tăng, hiệu quả của sóng siêu âm
tăng, nhưng hiệu quả này sẽ tăng đến một nồng độ huyền phù giới hạn. Theo nghiên cứu của
chúng tôi tại các nồng bột thay đổi từ 6% đến 30% cho quy luật giống với lý luận trên. Và
tại HPTB nồng độ 12% cho hiệu quả cao nhất.
Khi cơng suất của sóng siêu âm tăng đồng nghĩa năng lượng sóng sẽ tăng dẫn đến q
trình hình thành và vỡ bong bóng diễn ra nhanh và mạnh mẽ hơn. Theo nguyên lý của hiện
tượng xâm thực khí, tại một vị trí xác định, khi áp suất âm ở giá trị tuyệt đối lớn nhất, bong
bóng sẽ hình thành, khi giá trị tuyệt đối của áp suất âm giảm dần, bong bóng sẽ bị nén lại,
kích thước trở nên nhỏ hơn và khơng ổn định (đây là giai đoạn đầu của quá trình xâm thực
khí). Đường kính tối đa của bong bóng tăng theo giá trị tuyệt đối của biên độ áp suất âm và
phụ thuộc vào kích thước ban đầu của nó. Do đó, khi cơng suất siêu âm tăng thì số lượng
bong bóng cũng tăng, kết quả là hiện tượng xâm thực khí cũng tăng (Y.T. Shah và cơng sự,
1999).
Khi tăng thời gian siêu âm, hiện tượng xâm thực khí kéo dài hơn do đó hạt tinh bột bị vỡ
nhiều hơn và số lượng các phân tử tinh bột bị cắt đứt sẽ nhiều hơn, làm kích thước hạt của
mẫu giảm và hàm lượng TBHT, đường khử tăng. Kết quả này cũng giống với kết quả
nghiên cứu của Saoharit Nitayavardhana và cộng sự (2008) và Samir Kumar Khanal và
cộng sự (2006), Hyungsu Kim và cộng sự (2005) lên các phân tử polymer.
Theo nghiên cứu của Khanal (2006) về ảnh hưởng của sóng siêu âm với các mức năng

lượng và thời gian khác nhau lên tinh bột bắp cho thấy kích thước hạt giảm nhiều khi thời
gian và năng lượng siêu âm tăng lên. Kết quả này cũng tương tự với nghiên cứu của chúng
tơi.
- Kết luận vấn đề 1
Sau loạt thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm lên quá trình hồ hóa bột gạo đã
xác định được các thơng số tối ưu là:
- Thời điểm siêu âm: 700C
- Hàm lượng bột gạo trong huyền phù: 12%
- Công suất siêu âm: 7.5W/g tinh bột
- Thời gian siêu âm: 5 phút

12


4.2. Vấn đề 2: Khảo sát ảnh hưởng của quá trình siêu âm có sự tham gia của enzyme
amylase lên q trình dịch hóa bột gạo
• Mục đích thí nghiệm:
Từ kết quả của vấn đề 1 chúng tôi nhận thấy rằng tác động sóng siêu âm vào hỗn hợp có
độ nhớt cao cho hiệu quả tăng khả năng thuỷ phân tinh bột thấp. Vì vậy, để giúp làm giảm
độ nhớt của hỗn hợp, chúng tôi tiến hành bổ sung enzyme amylase. Mục đích của các loạt
thí nghiệm này là xác định chế độ tối ưu để kết hợp ảnh hưởng của sóng siêu âm và enzyme
amylase nhằm dịch hóa bột gạo.
Vấn đề đặt ra: Ảnh hưởng của sóng siêu âm có thể dẫn đến
-

Giảm hoạt tính của enzyme làm giảm hiệu quả phản ứng thuỷ phân
Tăng khả năng khuấy trộn giúp enzyme tiếp xúc cơ chất làm tăng hiệu quả thủy
phân

4.2.1. Thí nghiệm 5: Khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm đến hoạt tính của

enzyme amylase trong điều kiện khơng điều nhiệt
• Mục đích thí nghiệm: Xây dựng phương trình tốn học mơ tả ảnh hưởng của sóng
siêu âm đến 2 chế phẩm enzyme amylase Termamyl 120L và Dextrozyme GA trong
điều kiện thí nghiệm khơng điều nhiệt
• Tiến hành thí nghiệm:
- Loạt TN5.1: Tiến hành pha lỗng chế phẩm Termamyl 120L với dung dịch đệm
phosphate pH 7, hệ số pha lỗng là 2.10-5 lần. Thực hiện q trình siêu âm chế phẩm
enzyme với công suất siêu âm từ 10 đến 30 W/mL. Ứng với mỗi công suất siêu âm, tiến
hành siêu âm với các khoảng thời gian siêu âm khác nhau từ 10s đến 300s. Xác định hoạt
tính α-amylase trong các chế phẩm enzyme đã xử lý siêu âm theo phương pháp của Smith
and Roe với cơ chất là dung dịch tinh bột hồ hoá và ủ ở 80oC.
- Loạt TN5.2: Tiến hành pha loãng chế phẩm Dextrozyme GA với dung dịch đệm citrate phosphate pH 4.5, hệ số pha loãng 2.10-4 lần (nồng độ protein sau khi pha lỗng: 160.64
± 2.74 mg /mL). Thực hiện q trình siêu âm chế phẩm enzyme với công suất siêu âm từ
10 đến 30 W/mL. Ứng với mỗi công suất siêu âm, tiến hành siêu âm với các khoảng thời
gian siêu âm khác nhau từ 10s đến 300s. Sau đó, xác định hooạt tính glucoamylase trong
các mẫu đã xử lý với cơ chất là dung dịch tinh bột hồ hoá và ủ ở 70oC. Hoạt tính
glucoamylase được tính dựa trên lượng glucose sinh ra khi thuỷ phân maltodextrin DE 20
bằng enzyme. Một đơn vị hoạt tính glucoamylase (U) được định nghĩa là lượng enzyme
cần thiết để xúc tác thủy phân ra 1µmol đường glucose trong 1 phút trong điều kiện nồng
độ cơ chất 1mg/mL; nhiệt độ 65oC; pH 5.0; thời gian phản ứng 15 phút. Hàm lượng
đường khử được xác định theo phương pháp quang phổ so màu với thuốc thử 3,5 –
dinitrosalicylic acid (Miller, 1959)
13


Theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao hai yếu tố, phương trình hồi qui của
hàm mục tiêu được biểu diễn theo Phương trình 9
Phương trình 9
Y = b0 + b1X1 + b2X2 + b11X12 + b22X22 + b12X1X2
Trong đó Y(%) là Hoạt tính của chế phẩm Termamyl 120L hay cuả chế phẩm

Dextrozyme GA và khoảng biến đổi của X1, X2 cũng như được trình bày trong
Bảng 3
Bảng 3: Các điều kiện thay đổi trong TN 5.1 và 5.2
Yếu tố khảo sát

Đơn vị

Mã hóa

Thời gian siêu âm (Z1)
Cơng suất siêu âm (Z2)

Giây
W/mL

X1
X2

Các mức nghiên cứu
-1
0
+1
0
150
300
10
20
30

• Kết quả và nhận xét

Loạt TN5.1:

‐

Kết quả của thí nghiệm TN5.1 được trình bày trong Bảng 4
Bảng 4: Bố trí thí nghiệm và kết quả thực nghiệm của TN 5.1
Biến mã hố
Kết quả thí nghiệm Y
Thời gian siêu âm
Công suất siêu âm
STT
X1
X2
Lần 1
Lần 2
1
-1
-1
6.09
6.12
2
1
-1
3.48
3.56
3
-1
1
5.98
5.92

4
1
1
0.17
0.14
5
-1
0
6.00
5.97
6
1
0
1.24
1.32
7
0
-1
5.02
5.02
8
0
1
3.68
3.67
9
0
0
4.39
4.39

10
0
0
4.40
4.39
Giải bài toán quy hoạch thực nghiệm cho hàm mục tiêu bằng phần mềm Modde 5.0 để
xác định và kiểm định tính ý nghĩa của các hệ số hồi qui, ta nhận được các kết quả như
trong Bảng 5
Bảng 5: Ảnh hưởng của các biến độc lập đến hoạt tính của enzyme trong TN 5.1
Giá trị
b0
b1
b2
b11
b22
b12

Hệ số
4.293
-2.180
-0.811
-0.561
0.151
-0.802

Sai số chuẩn
0.074
0.051
0.051
0.081

0.081
0.062

P
4.52E-18
2.81E-16
2.16E-10
7.21E-06
8.47E-02
3.61E-09

Khoảng tin cậy (±)
0.159
0.109
0.109
0.174
0.174
0.133
14


Bảng 5 cho thấy tác động của các biến X1, X2, X12, X1X2 ảnh hưởng đến giá trị của Y (p
< 0.05). Từ các hệ số tìm được thiết lập phương trình hồi qui theo biến mã hóa của hoạt tính
như sau (bỏ qua ảnh hưởng của X22 do p > 0.05):
Y = 4.293 – 2.18 X1- 0.811 X2 – 0.561 X12 – 0.802 X1X2
Phương trình hồi qui theo biến tự nhiên có dạng:

Phương trình 10

Phương trình 11

Y = 5.9304 + 0.0036 tSA - 0.0009 PSA – 2.5x10-5 tSA2 – 5.34x10-4 tSAPSA
Kết quả phân tích ANOVA để kiểm định sự tương thích của phương trình hồi qui được
trình bày trong Bảng 6
Bảng 6: Kết quả phân tích ANOVA của TN 5.1
DF

SS

MS

Total Corrected

19

3199.11

168.37

Regression

5

3179.90

635.98

Residual

14

19.21

1.37

F

p

SD
12.98

463.45

0.000

25.22
1.17

2

N = 20
Q = 0.988
Cond. no. = 3.4934
Conf. lev. = 0.95
2
DF = 14
R = 0.994
Y-miss = 0
2
 

Comp. = 2
R Adj. = 0.992
RSD = 0.1755
Kết quả phân tích ANOVA trong bảng cho thấy giá trị p-value < 0.05 nên phương trình
hồi qui theo mơ hình tốn học đã dựng là tương thích với kết quả thực nghiệm ở độ tin cậy
95%.
Từ phương trình hồi qui biểu diễn trên ba trục tọa độ không gian ba chiều, ta được mặt
cong như Hình 9

Hình 9: Ảnh hưởng của cơng suất và thời gian siêu âm lên hoạt tính của chế phẩm Termamyl 120L

15


Từ phương trình hồi qui có thể rút ra nhận xét cả hai yếu tố thời gian siêu âm và cơng
suất siêu âm đều ảnh hưởng làm giảm hoạt tính của enzyme trong chế phẩm Termamyl
120L. Thời gian siêu âm ảnh hưởng đến hoạt tính theo hàm bậc hai, cơng suất siêu âm ảnh
hưởng đến hoạt tính theo hàm bậc một. Có sự tương tác giữa thời gian siêu âm và công suất
siêu âm. Yếu tố thời gian siêu âm ảnh hưởng nhiều hơn so với công suất siêu âm.
‐

Loạt TN5.2:

Kết quả của thí nghiệm TN5.2 được trình bày trong Bảng 7 và giá trị các hằng số trong
phương trình biểu diễn ảnh hưởng của thời gian và công suất siêu âm đến hoạt tính
glucoamylase của chế phẩm Dextrozyme GA được trình bày trong Bảng 8
Bảng 7: Kết quả thí nghiệm TN5.2
Biến mã hố
Kết quả thí nghiệm Y
STT

Thời gian siêu âm
Công suất siêu âm
X1
X2
Lần 1
Lần 2 Lần 3
1
-1
-1
0.4352 0.4341 0.4347
2
1
-1
0.5122 0.5078 0.5093
3
-1
1
0.4352 0.4363 0.4358
4
1
1
0.4363 0.4267 0.4295
5
-1
0
0.4396 0.4337 0.4384
6
1
0
0.4719 0.4789 0.4752

7
0
-1
0.5652 0.5615 0.5615
8
0
1
0.6322 0.6270 0.6313
9
0
0
0.7070 0.7159 0.7146
10
0
0
0.7356 0.7196 0.7231
Bảng 8: Giá trị các hằng số trong phương trình biểu diễn ảnh hưởng của thời gian và
công suất siêu âm đến hoạt tính glucoamylase của chế phẩm Dextrozyme GA
Giá trị
Hệ số
Sai số chuẩn
p
Khoảng tin cậy (±)
b0
0.6852
0.0134
0.0000
0.0277
0.0189
b1

0.0180
0.0092
0.0607
0.0189
b2
-0.0017
0.0092
0.8517
b11
-0.1948
0.0147
0.0000
0.0303
b22
-0.0547
0.0147
0.0011
0.0303
0.0232
b12
-0.0200
0.0112
0.0875
Phương trình hồi qui theo biến mã hóa như sau (bỏ qua ảnh hưởng của X1, X2, X1X2 do p >
0.05):
Y = 0.6852 - 0.1948 X12 - 0.0547 X22

Phương trình 12

Phương trình hồi qui theo biến tự nhiên có dạng:

Y = 0.2717 + 0.0065 tSA + 0.0219 PSA – 5.4x10-5 tSA2 – 5.47x10-4 PSAS2

Phương trình 13

Kết quả kiểm định sự tương thích của phương trình hồi qui với kết quả thực nghiệm
bằng phần mềm Modde 5.0 được trình bày trong Bảng 9. Giá trị p-value < 0.05 cho phép kết
16


luận phương trình hồi qui theo mơ hình tốn học đã tìm được là tương thích với kết quả thực
nghiệm với độ tin cậy 95%
Bảng 9: Kết quả phân tích kiểm định sự tương thích của phương trình hồi quy với thực
nghiệm của loạt thí nghiệm TN5.2
p
SD
DF
SS
MS
F
Total Corrected
29
0.3674
0.0127
0.1126
Regression
5
0.3311
0.0662
43.76
0.0000 0.2573

Residual
24
0.0363
0.0015
0.0389
N = 30
Q2 = 0.851
Cond. no. = 3.493
Conf. lev. = 0.95
DF = 24
R2 = 0.901
Y-miss = 0
2
Comp. = 2
R Adj. = 0.881
RSD = 0.0389
Phương trình 13 cho thấy cả hai yếu tố thời gian siêu âm và công suất siêu âm đều ảnh
hưởng đến hoạt tính glucoamylase theo hàm bậc hai. Trong phạm vi khảo sát, yếu tố thời
gian siêu âm ảnh hưởng lên hoạt tính enzyme mạnh hơn so với cơng suất siêu âm Hình 10.

Hình 10: Ảnh hưởng của thời gian và cơng suất siêu âm lên hoạt tính glucoamylase của chế phẩm Dextrozyme GA

Giải Phương trình 13 bằng phần mềm Modde 5.0, hoạt tính glucoamylase đạt giá trị cực
đại là 0.69 U/mL khi công suất và thời gian siêu âm lần lượt là 19.8 W/mL và 62.7 giây.
Tiến hành thực nghiệm lại với công suất siêu âm 20 W/mL trong 63 giây, kết quả được trình
bày trong Bảng 10.
Bảng 10: Kết quả các thí nghiệm kiểm chứng điều kiện tối ưu tính tốn được từ phương
trình hồi quy
Y – lần 1

Y – lần 2

Y – lần 3

Y tính tốn

Giá trị
0.7196
0.7159
0.7356
0.7237
0.6847
(U/mL)
Sử dụng phần mềm Statghraphics 3.0 để phân tích thống kê về sự khác biệt của kết quả
thí nghiệm thu được với giá trị tối ưu tính tốn từ Phương trình 3 cho thấy giá trị Fratio =
17


3.37 < Fcrit = 18.51 và giá trị p = 0.1402 lớn hơn giá trị 0.05. Do đó có thể kết luận rằng
khơng có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa kết quả thực nghiệm với kết quả tính tốn từ
mơ hình tốn học với độ tin cậy 95%. Từ đó có thể đưa ra kết luận: khi siêu âm dung dịch
Dextrozyme GA với công suất 20 W/mL trong thời gian 63 giây, hoạt tính glucoamylase sẽ
tăng cao nhất 66.11% so với mẫu đối chứng không siêu âm. Bề mặt mơ tả biến đổi hoạt tính
glucoamylase theo thời gian và cơng suất sóng siêu âm được trình bày trong Hình 10
- Bàn luận kết quả của thí nghiệm 5
Trong thí nghiệm này, chúng tơi sử dụng sóng siêu âm có tần số thấp 20 kHz nên sóng
siêu âm tác động chủ yếu đến hoạt tính chế phẩm enzyme thông qua ba cơ chế: (Vercet và
cộng sự, 2001).
-

Do ảnh hưởng của hiện tượng xâm thực khí.
Do các lực cơ học (lực cắt) được tạo ra từ các dòng vi xoáy.
Do các gốc tự do được sinh ra do nước bị thủy phân.

Hai chế phẩm enzyme được sử dụng trong nghiên cứu có nồng độ thấp nên độ nhớt của
dung dịch thấp, giúp việc tạo bong bóng khí diễn ra dễ dàng. Các bong bóng khí được sinh
ra, lớn lên và vỡ ra liên tục gây hiện tượng tăng áp suất cục bộ, nhiệt độ cục bộ. Nhiệt cục
bộ xuất hiện ở các vùng bong bóng vỡ có năng lượng rất cao, có thể làm biến tính nhiệt
phân tử enzyme. (Maryam và cộng sự, 2008).
Áp lực cục bộ sinh ra khi bong bóng vỡ và ứng suất cắt do các dịng vi xốy tạo ra có thể
làm đứt mạch, thay đổi cấu trúc không gian của enzyme, làm giảm hoạt tính của enzyme.
Cường độ siêu âm càng cao thì cường độ xâm thực khí càng mạnh, tần suất tạo ra các dịng
vi xốy càng nhiều, cấu trúc enzyme sẽ bị phá hủy nhiều hơn, hoạt tính của enzyme bị vơ
hoạt càng nhiều. (Raviyan và cộng sự, 2005)
Nhiệt độ dung dịch cao sẽ làm thay đổi động lực của quá trình xâm thực khí. Nhiệt độ
tăng làm giảm độ hồ tan của khí bên trong chất lỏng và tăng áp suất hơi cân bằng do đó các
bong bóng khí dễ dàng được tạo thành, nhưng lúc này bong bóng khí sẽ chứa nhiều hơi
nước. Vì hơi nước có hệ số truyền nhiệt nhỏ hơn khí nên lượng hơi nước lớn đã làm giảm
nhiệt độ cũng như áp suất khi bọt khí vỡ ra. Do đó, nhiệt độ cao làm giảm hiệu quả của q
trình xâm thực khí. Nhiệt độ và áp suất cục bộ được sinh ra khi bong bóng vỡ trong dung
dịch có nhiệt độ cao thì thấp hơn trong dung dịch có nhiệt độ thấp.
Trong thí nghiệm này, khi siêu âm enzyme, enzyme được pha lỗng trong mơi trường
lỏng nên có sự phát sinh các gốc tự do. Các gốc tự do sẽ tiến vào trung tâm hoạt động của
enzyme, phá hủy các nhóm chức năng quan trọng cho hoạt động thủy phân vì thế ảnh hưởng
đến hoạt tính enzyme, kết quả là mức độ thủy phân của enzyme giảm (Berezin và cộng sự,
1975). Các gốc tự do thường được hình thành trong trường hợp này là những chất trung gian
giàu năng lượng như H● và OH●. Chúng có khả năng tương tác với nhau hoặc tương tác với
các phân tử khác để hình thành gốc tự do mới:

18

2H • → H 2
US
H 2O ⎯⎯→
H • + OH •

2OH • → H 2O2
H • + H 2O → H 2 + OH •

Gốc tự do OH● sinh ra có tính oxi hố mạnh. Chúng có thể làm thay đổi môi trường
xung quanh phân tử enzyme, dẫn đến việc làm thay đổi điện tích hoặc cấu hình khơng gian
của enzyme. Ngồi ra, các gốc tự do này có thể tham gia phản ứng với các amino acid trong
phân tử enzyme, làm thay đổi cấu trúc phân tử của enzyme.
Số lượng gốc tự do sinh ra cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ đã làm thay đổi động
lực của q trình xâm thực khí. Nhiệt độ tăng làm giảm độ hồ tan của khí bên trong chất
lỏng và tăng áp suất hơi cân bằng do đó các bong bóng khí dễ dàng được tạo thành, nhưng
lúc này bong bóng khi sẽ chứa nhiều hơi nước. Càng nhiều hơi nước trong bong bóng khí
thì các phản ứng tạo gốc tự do diễn ra trong quá trình nén càng nhiều. Tuy nhiên, hơi nước
có hệ số truyền nhiệt nhỏ hơn khí nên lượng hơi nước lớn đã làm giảm nhiệt độ cũng như là
áp suất cục bộ sinh ra khi bong bóng vỡ.
Sóng siêu âm có cường độ càng cao thì tốc độ tăng nhiệt độ càng nhanh, số lượng gốc tự
do sinh ra càng nhiều nên độ giảm hoạt tính của enzyme càng mạnh.
Ta nhận thấy rằng, ba yếu tố chính do sóng siêu âm gây ra: hiện tượng xâm thực khí,
dịng vi xốy và gốc tự do ảnh hưởng đồng thời lên hoạt tính của enzyme. Tuy nhiên, ở
nhiệt độ thấp thì tác động chủ yếu của sóng siêu âm lên enzyme thơng qua hiện tượng xâm
thực khí và sinh các dịng vi xốy. Nhiệt độ càng cao, tác động của sóng siêu âm lên enzyme
thơng qua các gốc tự do càng mạnh. Kết quả này tương tự với kết quả của Rassoul và
Malcom (2008) khi nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm tần số 30 kHz lên enzyme αamylase từ Bacillus amyloliquefacience.
Bên cạnh đó, hiện tượng xâm thực khí, các dịng vi xốy, các gốc tự do sinh ra trong q

trình siêu âm cịn làm yếu đi các lực liên kết hydro, Van Der Walls, ảnh hưởng đến lớp vỏ
hydrate xung quanh phân tử enzyme, làm giảm độ hòa tan của enzyme, gây ra hiện tượng
kết tụ, làm giảm hoạt tính của enzyme. Để chứng minh lý luận trên chúng tôi tiến hành chạy
điện di và xác định hàm lượng protein hoà tan trong các mẫu enzyme trước và sau siêu âm
của 2 chế phẩm Termamyl 120L và Dextrozyme GA. Kết quả phân tích điện di được trình
bày trong Hình 11 và kết quả phân tích hàm lượng protein hồ tan được trình bày trong
Bảng 11 và Bảng 12

19


Hình 11: Kết quả phân tích điện di các mẫu chế phẩm Termamyl 120L và Dextrozyme
GA ở các chế độ xử lí siêu âm khác nhau
M1: Chế phẩm Termamyl 120L không siêu âm.
M2: Chế phẩm Termamyl 120L siêu âm với cường độ 20W/mL trong 120 s
G1: Chế phẩm Dextrozyme GA không qua xử lý siêu âm
G2: Chế phẩm Dextrozyme GA sau xử lý siêu âm với công suất 20W/mL trong 60 giây
G3: Chế phẩm Dextrozyme sau xử lý siêu âm với cơng suất 20W/mL trong 300 giây

Kết quả phân tích điện di cho thấy tổng số và vị trí các vạch protein trong các mẫu trước
và sau siêu âm của cả 2 chế phẩm enzyme đều không đổi. Điều này chứng tỏ sau thành phần
protein trong chế phẩm là không đổi sau q trình xử lý siêu âm; khơng có thành phần
protein nào bị mất đi hay xuất hiện thêm những protein mới.
Bảng 11: Hàm lượng protein hòa tan trong các mẫu chế phẩm Termamyl 120L với các
điều kiện xử lí siêu âm khác nhau
Mẫu
Enzyme khơng siêu âm
Ezyme siêu âm ở cơng suất 20W/mL trong 120 s

Hàm lượng protein hịa tan (mg/mL)

50.67 ± 2.72a
46.15 ± 1.17b

Trong cùng một cột, các giá trị được đánh dấu bởi những chữ cái giống nhau thì khác nhau
khơng có ý nghĩa theo phân tích thống kê ANOVA (p < 0.05).

Bảng 12: Hàm lượng protein hòa tan trong các mẫu chế phẩm Dextrozyme GA với các
điều kiện xử lí siêu âm khác nhau
Mẫu
Enzyme khơng siêu âm
Ezyme siêu âm ở công suất 20W/mL, 60 giây
Ezyme siêu âm ở cơng suất 20W/mL, 300 giây

Hàm lượng protein hịa tan
(mg/mL chế phẩm)
160.64 ± 2.74a
177.27 ± 3.35b
120.07 ± 6.03c

Trong cùng một cột, các giá trị được đánh dấu bởi những chữ cái giống nhau thì khác nhau
khơng có ý nghĩa theo phân tích thống kê ANOVA (p < 0.05).

Tuy nhiên, Kết quả ở Bảng 11 và Bảng 12 lại cho thấy có sự thay đổi nồng độ protein
hịa tan ở các mẫu khảo sát. Ở Bảng 11, hàm lượng protein hòa tan trong mẫu được xử lý
siêu âm giảm 8.9% so với mẫu không xử lý siêu âm. Bảng 12 cho thấy so với mẫu đối
20