Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm để tăng cường quá trình thuỷ phân cơ chất trong sản xuất ethanol từ gạo

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HUỲNH THÁI NGUYÊN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM
ĐỂ TĂNG CƯỜNG QUÁ TRÌNH THUỶ PHÂN
CƠ CHẤT TRONG SẢN XUẤT ETHANOL TỪ GẠO
Chuyên ngành : Công nghệ Thực phẩm và Đồ uống

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2010


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : ................................ ................................ .........
................................ ................................ ................................ .......................
PGS. TS. Lê Văn Việt Mẫn...............................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ................................ ................................ ...............
................................ ................................ ................................ .......................
PGS. TSKH Ngô Kế Sương ...............................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ................................ ................................ ...............
................................ ................................ ................................ .......................
TS. Trần Bích Lam ................................ .............
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN V ĂN

THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . .02 . .tháng .02 . . năm 2010. . . . .


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, PGS. TS Lê Văn Việt Mẫn, đã tận
tình chỉ bảo, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và động viên em trong suốt thời
gian thực hiện luận văn.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Công nghệ Thực phẩm đã
tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn.
Tôi cũng cảm ơn các anh chị và các bạn làm cùng phịng thí nghiệm,
những người đã đóng góp những ý kiến bổ ích cho tơi trong q trình thực hiện
đề tài.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn người thân trong gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp, những người ln là chỗ dựa vững chắc và luôn ủng hộ tôi trong suốt
thời gian thực hiện luận văn tại Đại học Bách khoa Tp.HCM.


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trong thời gian gần đây, ứng dụng sóng siêu âm đã được nghiên cứu và ứng
dụng ở các lĩnh vực khác nhau trong công nghệ thực phẩm. Trong nghiên cứu này,
chúng tơi sử dụng sóng siêu âm để tăng cường quá trình thủy phân cơ chất trong sản
xuất ethanol từ gạo. Hỗn hợp huyền phù bột gạo được xử lý siêu âm trong khoảng thời
gian từ 30÷150 giây với ba mức cơng suất khác nhau: 150W, 225W, 300W. Hiệu quả
của quá trình thuỷ phân cơ chất được đánh giá thông qua hai hàm mục tiêu là hiệu suất
thuỷ phân tinh bột gạo và hàm lượng nitơ amin tự do (FAN) có trong dịch thủy phân
tinh bột.
Xử lý siêu âm trong thời gian 120 giây với cơng suất 300W trước khi hồ hố,
dịch hố làm tăng hiệu suất thuỷ phân tinh bột gạo đến 16% so với mẫu đối chứng
(không xử lý siêu âm). Trong khi đó, xử lý siêu âm trong thời gian 82 giây với công

suất cao kết hợp đồng thời với xử lý enzyme Termamyl làm tăng hiệu suất thuỷ phân
15% (so với mẫu đối chứng). Như vậy, kết hợp xử lý siêu âm trong sản xuất ethanol có
thể cải thiện chi phí sản xuất.


LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên:

Huỳnh Thái Nguyên

Ngày, tháng, năm sinh:

Ngày 10 tháng 09 năm 1982

Địa chỉ liên lạc:

237/4/27 Hòa Bình, Hiệp Tân, Tân Phú, Tp.HCM

Nơi sinh : Phú Yên

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
Từ năm 2000 đến 2005:

Sinh viên, trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng

Từ năm 2007 đến nay:

Học viên cao học, trường Đại học Bách khoa-Đại học
Quốc gia Tp.HCM

Q TRÌNH CƠNG TÁC
Từ năm 2005 đến nay:

Giảng viên, trường Cao đẳng Công nghiệp Thực phẩm
Tp.HCM


-i-

MỤC LỤC
Chương 1. Giới thiệu .....................................................................................1
Chương 2. Tổng quan tài liệu .......................................................................3
2.1. Gạo và thành phần hoá học ...................................................................3
2.1.1. Cấu tạo hạt gạo ................................................................................3
2.1.2. Thành phần hố học.........................................................................6
2.2. Cơng nghệ sản xuất ethanol từ gạo........................................................8
2.2.1. Qui trình sản xuất ............................................................................8
2.2.2. Thuyết minh qui trình ......................................................................10
2.2.2.1. Nghiền ngun liệu...................................................................10
2.2.2.2. Hồ hóa nguyên liệu...................................................................10
2.2.2.3. Dịch hóa nguyên liệu................................................................11
2.2.2.4. Đường hóa nguyên liệu ............................................................12
2.3. Sóng siêu âm và ứng dụng trong cơng nghệ thực phẩm .......................16
2.3.1. Đại cương về sóng siêu âm..............................................................16
2.3.2. Thiết bị siêu âm ...............................................................................17
2.3.3. Ứng dụng sóng siêu âm trong cơng nghệ thực phẩm......................19
2.3.3.1. Hỗ trợ các q trình vật lý trong chế biến thực phẩm..............19
2.3.3.2. Hỗ trợ các quá trình hố lý trong chế biến thực phẩm .............21
2.3.3.3. Phân cắt và depolymer hoá chuổi polysaccharide....................24
2.3.3.4. Ảnh hưởng của siêu âm đến hoạt tính enzyme ........................27

2.4. Ứng dụng sóng siêu âm trong quá trình sản xuất ethanol .....................29
2.4.1. Qui trình cơng nghệ sản xuất ethanol có sử dụng sóng siêu âm .....29
2.4.2. Ảnh hưởng của xử lý siêu âm đến quá trình trong sản xuất
ethanol..............................................................................................................30


- ii -

Chương 3. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu.................................35
3.1. Nguyên liệu và hoá chất ........................................................................35
3.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu ..................................................37
3.2.1. Khảo sát nguyên liệu .......................................................................37
3.2.2. Xử lý siêu âm huyền phù bột gạo....................................................38
3.2.2.1. Qui trình sản xuất dịch thủy phân có xử lý siêu âm.................38
3.2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý huyền phù
bột gạo .............................................................................................................39
3.2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của công suất xử lý siêu âm đến hiệu quả
xử lý huyền phù bột gạo ..................................................................................40
3.2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý huyền phù
bột gạo .............................................................................................................40
3.2.3. Xử lý siêu âm kết hợp đồng thời với chế phẩm enzyme trong giai
đoạn hồ hoá và dịch hố ..................................................................................42
3.2.3.1. Qui trình sản xuất dịch thủy phân có xử lý siêu âm kết hợp đồng
thời với chế phẩm enzyme...............................................................................42
3.2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chế phẩm enzyme đến hiệu
quả xử lý huyền phù bột gạo kết hợp đồng thời với enzyme ..........................42
3.2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý huyền phù
bột gạo kết hợp đồng thời với enzyme ............................................................43
3.2.3.4. Tối ưu hóa q trình xử lý siêu âm trong giai đoạn hồ hóa và
dịch hóa............................................................................................................44

3.3. Phương pháp phân tích và tính tốn ......................................................45
3.3.1. Các phương pháp phân tích .............................................................45


- iii -

3.3.2. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm và cơng thức
tính tốn ...........................................................................................................47
Chương 4. Kết quả và bàn luận ...................................................................49
4.1. Phân tích thành phần hố học của gạo ..................................................49
4.2. Khảo sát xử lý siêu âm hỗn hợp huyền phù nguyên liệu ......................50
4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý huyền phù nguyên liệu
bột gạo bằng sóng siêu âm...............................................................................50
4.2.1.1. Hiệu suất thủy phân tinh bột.....................................................50
4.2.1.2. Hàm lượng nitơ amin tự do ......................................................53
4.2.2. Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến hiệu quả xử lý huyền phù
bột gạo .............................................................................................................54
4.2.2.1. Hiệu suất thủy phân tinh bột.....................................................54
4.2.2.2. Hàm lượng nitơ amin tự do ......................................................57
4.2.3. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý huyền phù bột gạo bằng
sóng siêu âm ....................................................................................................57
4.2.3.1. Hiệu suất thủy phân tinh bột.....................................................57
4.2.3.2. Hàm lượng nitơ amin tự do ......................................................59
4.3. Khảo sát xử lý q trình hồ hố và dịch hố bằng chế phẩm enzyme kết
hợp đồng thời với siêu âm ...............................................................................60
4.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chế phẩm enzyme đến hiệu quả xử lý
huyền phù bột gạo bằng chế phẩm enzyme kết hợp với siêu âm ....................60
4.3.1.1. Hiệu suất thủy phân tinh bột....................................................60
4.3.1.2. Hàm lượng nitơ amin tự do ......................................................63
4.3.2. Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến hiệu quả xử lý huyền phù bột

gạo bằng chế phẩm enzyme kết hợp với siêu âm ............................................63
4.3.2.1. Hiệu suất thủy phân tinh bột.....................................................64


- iv -

4.3.2.2. Hàm lượng nitơ amin tự do ......................................................66
4.3.3. Tối ưu hóa q trình hồ hóa và dịch hóa bằng chế phẩm enzyme kết
hợp đồng thời với siêu âm ...............................................................................66
4.4. So sánh hiệu quả của các phương pháp xử lý hỗn hợp huyền phù
bột gạo .............................................................................................................73
4.4.1. Cấu trúc hiển vi hỗn hợp huyền phù bột gạo...................................73
4.4.2. Hiệu suất thủy phân tinh bột gạo.....................................................75
Chương 5. Kết luận và kiến nghị .................................................................78
5.1. Kết luận..................................................................................................78
5.5. Kiến nghị ...............................................................................................78
Tài liệu tham khảo ........................................................................................79


-v-

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Hàm lượng các chất có trong các thành phần của gạo ...................5
Bảng 2.2. Ảnh hưởng pH đường hóa đến hiệu suất thủy phân một số loại
tinh bột .............................................................................................................14
Bảng 3.1. Ma trận qui hoạch trực giao cấp 2, hai yếu tố, phương án quay ....45
Bảng 4.1. Hàm lượng các thành phần hóa học của gạo ..................................49
Bảng 4.2. Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất thủy phân tinh bột và hàm lượng
nitơ amin tự do trong dịch thủy phân thủy phân .............................................51
Bảng 4.3. Ảnh hưởng công suất siêu âm đến hiệu quả thủy phân tinh bột

gạo....................................................................................................................55
Bảng 4.4. Ảnh hưởng thời gian xử lý siêu âm đến hiệu quả thủy phân..........58
Bảng 4.5. Ảnh hưởng hàm lượng chế phẩm Termamyl đến hiệu suất thủy
phân tinh bột và hàm lượng nitơ amin tự do trong dịch thủy phân.................61
Bảng 4.6. Ảnh hưởng thời gian xử lý siêu âm đến hiệu suất thủy phân tinh bột
và hàm lượng nitơ amin tự do trong dịch thủy phân .......................................64
Bảng 4.7. Các mức và khoảng biến thiên .......................................................67
Bảng 4.8. Ma trận qui hoạch trực giao cấp 2, hai yếu tố, phương án quay ....68
Bảng 4.9. Ma trận qui hoạch trực giao cấp 2, hai yếu tố, phương án quay và
kết quả thực nghiệm.........................................................................................69
Bảng 4.10. Ảnh hưởng của các yếu tố đến phương trình hồi qui ...................70
Bảng 4.11. Ảnh hưởng của các biến độc lập đến hiệu suất thủy phân
tinh bột .............................................................................................................70
Bảng 4.12. Hiệu suất thủy phân tinh bột gạo tại điểm tối ưu và thí nghiệm
kiểm chứng ......................................................................................................71


- vi -

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Cấu tạo giải phẫu hạt thóc.......................................................................5
Hình 2.2. Qui trình sản xuất ethanol từ gạo............................................................9
Hình 2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đường hóa đến hàm lượng đường khử khi
thủy phân huyền phù bột miến 30%w/v .................................................................. 13
Hình 2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng chế phẩm glucoamylase đến hàm lượng
đường khử trong dịch thủy phân huyền phù bột miến 30%w/v ..............................15
Hình 2.5. Tần số sóng siêu âm và ứng dụng trong khoa học.................................. 16
Hình 2.6. Hệ thống thiết bị siêu âm qui mơ phịng thí nghiệm có điều chỉnh
nhiệt độ ....................................................................................................................18
Hình 2.7. Q trình phân cắt các loại polysaccharide khác nhau bằng siêu âm.....26

Hình 2.8. Thủy phân 2.10-2mol.dm-3 chitosan trong dung dịch bão hòa Ar ở
pH 3,0 ......................................................................................................................27
Hình 2.9. Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến tốc độ phản ứng thủy phân tinh
bột bằng
alpha-amylase và glucoamylase ..............................................................................28
Hình 2.10. Qui trình cơng nghệ sản xuất ethanol có ứng dụng sóng siêu âm ........29
Hình 2.11. Tác động sóng siêu âm đến kích thước hạt tinh bột .............................31
Hình 2.12. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến chỉ số DE q trình dịch hóa
ngun liệu...............................................................................................................32
Hình 2.13. Ảnh hưởng của thời gian xử lý siêu âm đến nồng độ ethanol trong
dịch dấm chin...........................................................................................................33
Hình 3.1. Thiết bị siêu âm dạng thanh của Sonic & Materials...............................37


- vii -

Hình 3.2. Xử lý sóng siêu âm huyền phù bột gạo trong quá trình sản xuất dịch
thủy phân .................................................................................................................38
Hình 3.3. Xử lý siêu âm huyền phù bột gạo trong quá trình sản xuất dịch thủy
phân..........................................................................................................................42
Hình 4.1. Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu quả xử lý siêu âm ....................................51
Hình 4.2. Ảnh hưởng của công suất đến hiệu quả xử lý siêu âm ...........................56
Hình 4.3. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý siêu âm ............................59
Hình 4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng chế phẩm Termamyl đến hiệu quả xử lý
kết hợp enzyme và siêu âm......................................................................................62
Hình 4.5. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hiệu quả xử lý siêu âm...............65
Hình 4.6. Ảnh hưởng của hàm lượng chế phẩm enzyme và thời gian xử lý đến
hiệu suất thủy phân tinh bột gạo..............................................................................72
Hình 4.7. Ảnh hưởng của hàm lượng chế phẩm enzyme và thời gian xử lý đến
hiệu suất thủy phân tinh bột gạo..............................................................................73

Hình 4.8. Hiển vi điện tử quét huyền phù bột gạo..................................................74
Hình 4.9. So sánh hiệu suất thủy phân khi xử lý siêu âm hỗn hợp huyền phù
bột gạo bằng các phương pháp khác nhau...............................................................76


-Trang 1 -

Chương 1
GIỚI THIỆU
Ethanol là một trong những sản phẩm truyền thống và lâu đời nhất của ngành
công nghệ lên men. Ngồi việc sử dụng làm đồ uống có cồn dạng pha chế, ethanol
còn được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác. Đặc biệt, hiện nay
ethanol được xem như nguồn năng lượng sạch có thể thay thế cho các nguồn năng
lượng hóa thạch.
Ngày nay, có rất nhiều phương pháp khác nhau để sản xuất ethanol từ nhiều
nguồn carbohydrate khác nhau. Trong công nghệ sản xuất ethanol từ các nguồn
nguyên liệu giàu tinh bột, nguyên liệu được hồ hóa, dịch hóa và đường hóa trước khi
sử dụng vi sinh vật để lên men. Tuy nhiên với phương pháp sản xuất này, tinh bột
thường không được thuỷ phân triệt để, sử dụng nhiều chế phẩm enzyme, dẫn đến
lãng phí nguồn nguyên liệu, năng lượng, làm tăng chi phí của quá trình.
Để khắc phục được những nhược điểm trên, có nhiều phương pháp khác nhau
được khảo sát: sử dụng sóng siêu âm, chiếu xạ, vi sóng để xử lý ngun liệu nhằm
hỗ trợ cho các cơng đoạn hồ hóa, dịch hóa và đường hóa. Các phương pháp xử lý
nêu trên có ưu điểm là tăng hiệu suất thủy phân tinh bột, tiết kiệm năng lượng và chi
phí sản xuất.
Các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng sóng siêu âm có khả năng phân cắt
mạch tinh bột (Renata Czechowska-Biskup, 2005), phân cắt mạch cellulose (M.
Aliyu, M.J. Hepher, 2000), làm giảm kích thước hạt tinh bột (Saoharit
Nitayavardhana, 2008), giải phóng tinh bột tự do khỏi tế bào nguyên liệu (Linfeng

-Trang 2 -

Wang, 2004), tăng hoạt tính của enzyme (Stephen Barton, 1996), từ đó làm tăng
hiệu quả q trình thủy phân cơ chất.
Do vậy, chúng tôi đề xuất đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm để tăng
cường quá trình thủy phân cơ chất trong sản xuất ethanol từ gạo”. Điểm mới của đề
tài này là đối tượng nguyên cứu, gạo, nguyên liệu có hàm lượng protein cao, trong
khi đó hầu hết các nghiên cứu khác đều sử dụng nguyên liệu tinh bột, hoặc nguyên
liệu có hàm lượng protein thấp. Chúng tôi xử lý siêu âm huyền phù bột gạo trước
khi dịch hóa, cũng như xử lý kết hợp đồng thời với chế phẩm enzyme trong q
trình dịch hóa. Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của các điều
kiện xử lý siêu âm khác nhau (nhiệt độ, cường độ, thời gian xử lý iêu âm) đến hiệu
suất thủy phân tinh bột gạo và hàm lượng nitơ amin tự do có trong dịch thủy phân.


- Trang 3 -

Chương 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Gạo và thành phần hố học
2.1.1. Cấu tạo hạt gạo
Tính theo trọng lượng gạo lật, vỏ ngoài chiếm 1-2%, vỏ trong và aleurone 4-6%,
phôi 2-3% và nội nhũ 89-94% [42].

2.1.1.1. Vỏ
Vỏ là bộ phận bảo vệ cho phôi và nội nhủ khỏi bị tác động cơ học cũng như hóa
học từ bên ngoài. Thành phần của vỏ chủ yếu là cellulose, hemicellulose và
lignocellulose. Vỏ khơng có giá trị dinh dưỡng.
Vỏ được cấu tạo từ nhiều lớp tế bào, lớp ngoài cùng gồm những tế bào có kích

thước lớn sắp xếp theo chiều dọc hạt. Trong khi đó, lớp giữa cũng gồm những tế bào
tương tự như lớp ngoài nhưng sắp xếp theo chiều ngang. Lớp tế bào trong cùng gọi là
lớp vỏ quả, gồm những tế bào hình ống sắp xếp theo chiều dọc hạt. Trong vỏ quả là vỏ
hạt, gồm có hai lớp tế bào: ở lớp ngoài cùng, tế bào kéo dài theo chiều dọc của hạt; các
lớp tiếp theo đó tế bào kéo dài theo chiều ngang [7].

2.1.1.2. Tầng aleurone
Bên trong các lớp vỏ là lớp aleurone, lớp này được cấu tạo từ một hàng tế bào
lớn, thành dày, độ dày phân bố không đều trong hạt. Tầng aleurone gồm những tế bào
có dạng khối vng hay hình chữ nhật, càng gần phơi thì tế bào càng nhỏ dần. Tế bào
aleurone có chứa các hợp chất nitơ, chất khống và chất béo [42].


- Trang 4 -

2.1.1.3. Nội nhủ
Sau tầng aleurone là các tế bào lớn, thành mỏng có hình dạng khác nhau, sắp
xếp khơng thứ tự, đó là các tế bào nội nhũ. Ở xa tâm nội nhũ, về phía hai bên hơng của
hạt, tế bào có dạng đa giác và hơi dài.
Nội nhũ là phần dự trữ chất dinh dưỡng của hạt. Thành phần chủ yếu của tế bào
nội nhũ là tinh bột và protein. Ngồi ra, trong nội nhũ cịn có một lượng nhỏ chất béo,
muối khống và vitamin [42].

2.1.1.4. Phôi
Phôi là phần phát triển thành cây non khi hạt nảy mầm, vì vậy trong phơi có khá
nhiều chất dinh dưỡng để cung cấp cho sự sống ban đầu của cây non. Chất dinh dưỡng
trong phơi chủ yếu gồm có: 35% protein, 25% các glucid hòa tan, 15% chất béo. Phần
lớn lượng vitamin và enzyme của hạt đều tập trung ở phôi.
Phôi cách nội nhũ bởi lớp ngù. Đây là thành phần đóng vai trị vơ cùng quan
trọng vì tất cả chất dinh dưỡng từ nội nhũ muốn sang phôi đều phải đi qua lớp ngù.

Ngù được cấu tạo từ những tế bào có khả năng cho thẩm thấu các chất hồ tan.
Thành phần hóa học của các hạt khác nhau thì khơng giống nhau, và tỉ lệ các
chất cũng phân bố không đều trong các thành phần của hạt (vỏ, nội nhũ, phôi,
aleurone) [42].


- Trang 5 -

Bảng 2.1. Hàm lượng các chất có trong các thành phần của gạo [7]
Các
Thành phần của

Protein

Tinh

Đường

hạt

(%)

bột (%)

(%)

Cellulose Pentozan
(%)

(%)

Chất
béo (%)

Tro (%)

chất
khác
(%)

Tồn bộ hạt

10,07

59

4,43

2,76

8,10

2,24

2,18

1,22

Nội nhũ

12,91

80

3,54

0,15

2,72

0,67

0,45

-

Phơi

41,30

rất ít

25,12

2,46

9,74

15

6,31

0,03

Vỏ và aleurone

28,70

rất ít

4,18

16,2

32,56

7,78

10,5

0,07

Hình 2.1. Cấu tạo giải phẩu hạt thóc


- Trang 6 -

2.1.2. Thành phần hoá học
2.1.2.1. Glucid
Tinh bột

Tinh bột là thành phần chính của gạo, khơng phải là một hợp chất đồng thể mà
gồm hai polysaccharide khác nhau: amylose và amylopectin. Thường thì gạo tẻ có hàm
lượng amylopectin ít hơn so với các giống gạo nếp [8].
Amylose là một polysaccharide mạch thẳng gồm các gốc α  D  glucose liên
kết với nhau nhờ liên kết α  1,4  glycoside . Amylose hầu như không tan trong nước
lạnh, mà co lại và vòng xoắn mở ra ở mức gấp đơi so với vịng xoắn khi chưa hịa tan.
Trái lại, chúng hòa tan trong nước ấm.
Ở nhiệt độ bình thường, mạch amylose xoắn lại tạo nên một trật tự nhất định,
một vòng xoắn được tạo nên bởi ba phân tử amylose. Khi tác dụng với iod, phân tử sẽ
bị hấp phụ vào bên trong vòng xoắn và tạo ra phức chất có màu xanh đặc trưng.
Amylose hầu như khơng có khả năng khử vì trong mỗi phân tử chỉ có một nhóm
aldehyde tự do.
Amylopectin có phân tử lượng cao hơn amylose, cũng gồm các α  D  glucose
liên kết với nhau, nhưng ngoài liên kết α  1,4  glycoside cịn có α  1,6  glycoside .
Vì vậy amylopectin là polymer có nhiều mạch nhánh. Mỗi nhánh bao gồm 20-30 đơn
vị glucose và kết thúc bằng một đầu khơng khử ở mỗi nhánh. Do có cấu trúc phức tạp
nên amylopectin không tan trong nước lạnh, mà chỉ tan trong nước nóng tạo thành
dung dịch có độ nhớt cao và bền, khơng có hoặc có khuynh hướng thoái hoá.
Amylopectin khi gặp dung dịch iod cũng tạo ra phức chất có màu tím xanh, lúc đó
phân tử iod bị hấp phụ lên bề mặt của phân tử amylopectin.
Tinh bột tự nhiên được dự trữ trong các hạt. Đây là một loại bào quan có thành
phần, cấu trúc và tính chất hóa lý đặc trưng. Khi nói đến tính chất tinh bột tự nhiên là


- Trang 7 -

nói đến tính chất của dạng cấu trúc này. Hạt tinh bột có lỗ xốp, do đó các chất hồ tan
có thể xâm nhập vào trong bằng con đường khuếch tán [8].
Huyền phù nước-tinh bột khi được đun nóng đến nhiệt độ nào đó, hạt tinh bột
hấp phụ nước, trương nở và vỡ ra tạo thành dung dịch có độ nhớt cao. Nhiệt độ này gọi

là nhiệt độ hồ hoá của tinh bột. Ở hạt tinh bột có cấu tạo chặt, các phân tử liên kết với
nhau bằng một số lớn liên kết hydro rất bền. Việc phá vỡ hạt khi hồ hóa đối với hạt lớn
và hạt nhỏ sẽ xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau. Vì vậy, nhiệt độ hồ hóa khơng phải là
một giá trị mà là một khoảng nhiệt độ (bột gạo: 68-78oC) [8]. Nhìn chung q trình hồ
hóa ở tất cả các loại tinh bột đều giống nhau: ban đầu độ nhớt của hồ tinh bột tăng dần
lên, sau đó qua một cực đại rồi giảm xuống.

Hemicellulose
Cám, tấm và mầm chứa nhiều hemicellulose hơn gạo xát. Lượng pentozan trong
gạo xát là 0,6-1,7%. Trong cellulose của gạo có 21% tro.

Đường và fitin
Đường tự do chủ yếu có trong mầm và trong nội nhũ là saccharide, ngồi ra cịn
có một ít glucose, fructose và rafinose. Fitin là thành phần quan trọng lớp ngoài hạt,
80% phosphorus trong gạo lật và 40% phosphorus gạo xát ở dạng phosphorus fitin.

2.1.2.2. Protein
Hàm lượng protein trong thóc gạo thông thường vào khoảng 5-14%. Phần giàu
protein nhất trong gạo là phơi, sau đó đến lớp cám. Trong gạo xát, glutelin chiếm 75%85% so với protein tổng số, trong khi đó các nhóm khác như albumin, globulin và
prolamin chỉ chiếm tỉ lệ bé. Thành phần acid amin gạo cân đối hơn về mặt dinh dưỡng.
Lớp cám và mầm có tỉ lệ albumin cao, glutelin thấp so với nội nhũ nên cám, gạo
lật, mầm thường có thành phần acid amin cân đối hơn gạo xát. Protein của cám, tấm ít


- Trang 8 -

acid glutamic hơn của gạo xát. Phần đục và phần trong của hạt gạo không khác nhau về
thành phần acid amin.

2.1.2.3. Lipid

Trong gạo chứa ít lipid (1-3%). Gần 80% lipid tập trung ở cám và tấm. Lipid
liên quan đến phẩm chất gạo bảo quản. Hàm lượng lipid cao thường làm gạo nhanh
hỏng trong quá trình bảo quản vì lipid gạo giàu acid béo khơng no, sản phẩm oxy hoá
của các acid này làm thay đổi thành phần hóa học và một số tính chất hóa lý của gạo.

2.1.2.4. Vitamin và các chất khác
Vitamin tập trung chủ yếu ở lớp cám và mầm, gạo xát chỉ còn lại 20% thiamin
của toàn bộ gạo lật. Tỉ lệ riboflavin mất theo phụ phẩm này ít hơn. Nhìn chung, trong
gạo có khá nhiều vitamin nhưng nhiều hơn cả là niaxin, acid pantothenic, pyridoxine.
Thành phần khống thì gạo chứa nhiều phosphorus, canxi, magie, kali.

2.2. Công nghệ sản xuất ethanol từ gạo
2.2.1. Qui trình sản xuất
Cho đến nay, có hai phương pháp thơng dụng để sản xuất ethanol trên thế giới là
phương pháp lên men và phương pháp tổng hợp (chuyển ethylene thành ethanol).
Trong đó, phương pháp lên men là phương pháp phổ biến được sử dụng để sản xuất
ethanol [18].
Hình 2.2 (Michael T. Kinley, 2006), biểu diễn qui trình cơng nghệ sản xuất ethanol từ
gạo theo phương pháp lên men.


- Trang 9 -

Ngun liệu: Gạo

Nghiền khơ

Hồ hóa

Enzyme

Dịch hóa

Enzyme

Đường hóa

Nấm men

Lên men

Chưng cất

Tinh chế

Ethanol

Hình 2.2. Qui trình sản xuất ethanol từ gạo [48]


- Trang 10 -

2.2.2. Thuyết minh qui trình
2.2.2.1. Nghiền nguyên liệu
Nghiền nhằm mục đích phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện giải
phóng các hạt tinh bột khỏi các mô, làm cho sự xâm nhập của nước vào nguyên liệu
nhanh hơn. Trước đây nguyên liệu thường để nguyên hạt, ngày nay nguyên liệu được
nghiền nhỏ với mức độ khác nhau rồi đưa vào nấu ở áp suất và nhiệt độ phù hợp nhằm
chuyển tinh bột thành dạng hòa tan để dễ thủy phân [9].
Hiện nay, nguyên liệu được nghiền trên nhiều kiểu máy khác nhau (nghiền trục,

nghiền đĩa, nghiền búa). Tuy nhiên, ở nước ta, các nhà máy rượu thường dùng máy
nghiền búa.

2.2.2.2. Hồ hóa nguyên liệu
Trong các dạng nguyên liệu giàu tinh bột như gạo, ngô, khoai, sắn, tinh bột luôn
tồn tại ở dạng hạt. Khi nghiền chỉ một phần hạt bị phá vỡ, phần cịn lại sẽ khó tiếp xúc
được với enzyme (amylase). Mặc khác, tinh bột khơng hịa tan trong nước, do đó khi
đường hố enzyme tác dụng rất chậm. Vì vậy mục đích của hồ hóa là để phá vỡ hạt
tinh bột và tạo điều kiện chuyển chúng thành trạng thái hòa tan trong dung dịch [19].
Bản chất: Khi huyền phù tinh bột được nâng lên đến một giá trị nhiệt độ nào đó,
thường là nhỏ hơn nhiệt độ sơi của nước, nhiệt năng sẽ làm cho các phân tử nước
khuếch tán vào bên trong các hạt tinh bột. Thêm vào đó, nhiệt độ cao cũng phá huỷ liên
kết hydro giữa các phân tử tinh bột giúp cho chúng dễ dàng bị hydrat hóa.
Nhóm hydroxyl phân cực của tinh bột hấp phụ các phân tử nước hình thành liên
kết hydro giữa tinh bột và nước, kết quả làm cho hạt tinh bột trương phồng. Các hạt
tinh bột trương phồng này kết dính với nhau làm cho độ nhớt của huyền phù tinh bột


- Trang 11 -

tăng lên nhanh chóng. Một số phân tử tinh bột bị hydrat hóa mạnh mẽ sẽ tách khỏi hạt
tinh bột để khuếch tán vào nước làm cho tinh bột hịa tan trong nước nóng [9].
Q trình hồ hố khơng xảy ra ở một nhiệt độ nhất định mà dao động trong một
khoảng nhiệt độ. Ban đầu hiện tượng hồ hố xảy ra ở những vùng vơ định hình trong
hạt tinh bột, tại đó liên kết tinh bột yếu hơn so với ở vùng có cấu trúc tinh thể, vì vậy
liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột ở vùng đó dễ bị phá huỷ, nhiệt độ hồ hố thấp.
Sau đó, nhiệt độ tăng dần để cung cấp thêm năng lượng cho sự phá vỡ liên kết ở những
vùng có cấu trúc chặt chẽ hơn trong hạt tinh bột tạo nên liên kết mới giữa tinh bột và
nước trong vùng này [8].

2.2.2.3. Dịch hóa nguyên liệu
Nếu sau khi hồ hoá xong, ta tiếp tục nâng nhiệt cho đến nhiệt độ sơi thì năng
lượng được cung cấp lại tiếp tục phá hủy liên kết hydro vừa mới tạo thành giữa phân tử
nước và nhóm hydroxyl của tinh bột, đồng thời cắt đứt một phần mạch tinh bột tạo
thành tinh bột hịa tan trong nước nóng. Hiện tượng này làm cho cấu trúc tinh bột đã hồ
hoá trở nên lỏng lẻo và độ nhớt của dung dịch hồ hóa giảm xuống [9].
Hiện nay, người ta thường sử dụng enzyme alpha amylase bổ sung vào tinh bột
đã hồ hóa để tiến hành dịch hóa. Kết quả làm cho độ nhớt dịch cháo giảm đi nhanh
chóng. Alpha amylase tác động lên mạch amylose và amylopectin của tinh bột và bẻ
gãy các mối liên kết α  1,4  glycoside . Sau một thời gian ngắn, tồn bộ mạch
amylose và mạch chính amylopectin bị cắt nhỏ thành các đoạn dextrin. Giai đoạn tiếp
theo của q trình dịch hố là α  amylase phân cắt cục bộ các đoạn dextrin để tạo
thành các sản phẩm cuối cùng là glucose, maltose và dextrin phân tử thấp. Như vậy,
kết thúc q trình dịch hố có bổ sung α  amylase , tinh bột bị phân cắt chủ yếu thành
dextrin, một lượng ít glucose và maltose.


- Trang 12 -

2.2.2.4. Đường hoá nguyên liệu
Các sản phẩm được chuyển hố từ tinh bột sau q trình dịch hóa (dextrin,
maltodextrin, maltose) sẽ tiếp tục được thủy phân để chuyển hoá thành sản phẩm cuối
cùng là đường glucose dưới tác dụng của emzyme glucoamylase (amyloglucosidase).
Khác với hệ enzyme α  amylase , glucoamylase khơng chỉ có khả năng phân cắt
liên kết α  1,4  glycoside mà còn phân cắt được cả nối α  1,6  glycoside để chuyển
hóa tinh bột, dextrin thành sản phẩm cuối cùng là glucose.

Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình đường hố
Động học của q trình thủy phân nói chung và của q trình đường hóa tinh
bột nói riêng phụ thuộc vào nồng độ và hoạt độ enzyme, nhiệt độ thủy phân, pH của

dịch cháo và nồng độ của tinh bột [4].

 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ thủy phân tinh bột là yếu tố quyết định cường độ và chiều hướng tiến
triển của các phản ứng enzyme. Trong khoảng có ý nghĩa cơng nghệ, nếu nhiệt độ thủy
phân tăng thì khả năng phản ứng của các phân tử cơ chất cũng tăng do đó mà động
năng phản ứng cũng tăng [4].
Mỗi enzyme đều có nhiệt độ hoặc vùng nhiệt độ tối ưu. Q trình đường hóa
ngun liệu trong sản xuất ethanol, nhiệt độ tối ưu của enzyme alpha amylase và
glucoamylase thường không trùng lặp với nhiệt độ tối ưu ở môi trường thuần khiết vì
tác động tương hỗ giữa các yếu tố khác trong q trình đường hóa (pH, nồng độ cơ
chất, chất kìm hãm,..) [9].
Nghiên cứu của Satish D. Shewale và Aniruddha B. Pandit (2009) cho thấy
rằng, nhiệt độ 95oC là nhiệt độ tối thích của enzyme alpha amylase có nguồn gốc từ


- Trang 13 -

Bacillus licheniformis, tức là tại nhiệt độ này hàm lượng đường khử tạo thành từ quá
trình đường hóa tinh bột miến (sorghum) cao nhất (hình 2.3)

Hình 2.3. Ảnh hưởng nhiệt độ đường hóa đến hàm lượng đường khử khi thủy phân huyền phù
bột miến 30%w/v. Concn of reducing sugar: hàm lượng đường khử (mg/mL), Time: thời gian
đường hóa (phút), temperature: nhiệt độ ( oC)

 Ảnh hưởng của pH
pH của dung dịch tinh bột là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến động lực học của
quá trình thủy phân và đường hóa [4]. pH cho phản ứng thủy phân tinh bột không trùng
hợp bới pH tối ưu khi bảo quản, khi bảo quản thường giữ ở pH cao hơn so với khi
đường hóa [9]. Aggarwal và cộng sự (2001) cũng khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu

suất đường hóa trong q trình thủy phân tinh bột miến và sắn. Theo nghiên cứu này,
pH huyền phù nguyên liệu ảnh hưởng lớn đến hiệu suất đường hóa. Ở giá trị pH 5.0,
hiệu suất đường hóa bột miến và sắn đạt giá trị cao nhất 87,86% và 91,12%, trong khi
đó ở giá trị pH 6.0 thì hiệu suất quá trình đường hóa lại giảm nhanh.