Tài liệu Nghiên cứu một số thông số công nghệ trong chế biến nước uống lên men lactic từ khoai lang tím

MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................... viii DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT .................................................. ix MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1 Đặt vấn đề ....................................................................................................... 1 2 Mục đích - yêu cầu .......................................................................................... 2 2.1 Mục đích ...................................................................................................... 2 2.2 Yêu cầu ........................................................................................................ 2 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU.................................................................. 3 1.1 Giới thiệu chung về khoai lang tím ............................................................... 3 1.1.1 Nguồn gốc, phân bố của khoai lang tím ................................................ 3 1.1.2 Thành phần hóa học của khoai lang tím ................................................ 3 1.1.3 Tình hình chế biến khoai lang tím trên thế giới và trong nước............... 7 1.2 Giới thiệu về vi khuẩn lactic và quá trình lên men lactic ............................ 10 1.2.1 Phân loại vi khuẩn lactic ..................................................................... 11 1.2.2 Cơ chế lên men lactic .......................................................................... 12 1.2.3. Nhu cầu dinh dưỡng của vi khuẩn lactic ........................................... 12 1.2.4 Một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trao đổi chất ............................ 14 1.2.5 Vai trò và một số ứng dụng của vi khuẩn lactic và quá trình lên men lactic 16 1.3 Các sản phẩm đồ uống lên men lactic ......................................................... 20 1.4 Gới thiệu về một số chủng vi khuẩn lactic .................................................... 22 1.4.1 Lactobacillus acidophilus ................................................................... 22 1.4.2 Lactobacillus bulgaricus ..................................................................... 24 1.4.3 Lactobacillus plantarum ..................................................................... 25 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page iii Chương 2. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 27 2.1 Vật liệu nghiên cứu..................................................................................... 27 2.2 Dụng cụ, hóa chất ....................................................................................... 27 2.2.1 Dụng cụ .............................................................................................. 27 2.2.2 Hóa chất ............................................................................................. 28 2.3 Địa điểm nghiên cứu ................................................................................... 28 2.4 Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 28 2.5 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 29 2.5.1 Bố trí thí nghiệm ................................................................................. 29 2.5.2 Các phương pháp phân tích ................................................................. 32 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 38 3.1 Kết quả xác định một số chỉ tiêu hóa học của dịch khoai lang tím............... 38 3.2 Nghiên cứu xác định tỷ lệ phối chế thích hợp cho sản phẩm nước uống men lactic từ khoai lang tím Nhật Bản ..................................................................... 38 3.3 Nghiên cứu xác định chế độ thanh trùng cho nước khoai lang tím ............... 41 3.3.1 Ảnh hưởng của các công thức thanh trùng đến sự biến đổi chất lượng cảm quan của nước khoai lang tím sau khi rót chai ...................................... 42 3.3.2 Ảnh hưởng của các công thức thanh trùng đến sự biến đổi các chỉ tiêu vi sinh vật và cảm quan của nước khoai lang tím sau thời gian bảo ôn.............. 43 3.4 Nghiên cứu lựa chọn chủng vi khuẩn lactic phù hợp cho quá trình lên men lactic dịch khoai lang tím ................................................................................... 46 3.5 Nghiên cứu xác định các điều kiện lên men lactic thích hợp ........................ 48 3.5.1 Nghiên cứu xác định tỷ lệ tiếp giống thích hợp .................................. 48 3.5.2 Nghiên cứu xác định nhiệt độ lên men ................................................. 54 3.5.3 Nghiên cứu xác định thời gian lên men thích hợp ............................... 56 3.6 Đánh giá chất lượng của sản nước khoai lang tím lên men lactic .......... 58 3.6.1 Kết quả đánh giá các chỉ tiêu vi sinh vật của sản phẩm ....................... 58 3.6.2 Kết quả đánh giá chất lượng cảm quan của sản phẩm thuộc đề tài sau 30 ngày bảo quản ở 4 – 6oC .............................................................................. 59 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page iv 3.7 Đề xuất quy trình chế biến nước uống lên men lactic từ khoai lang tím giống Nhật Bản .......................................................................................................... 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 63 Kết luận ............................................................................................................ 63 Đề nghị............................................................................................................. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 65 PHỤ LỤC 1...................................................................................................... 69 PHỤ LỤC 2...................................................................................................... 70 PHỤ LỤC 3...................................................................................................... 71 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần hóa học của khoai lang tím trong 100g nguyên liệu tươi.....4 Bảng 1.2 Một số sản phẩm thực phẩm được sản xuất theo phương pháp lên men lactic ................................................................................................. 19 Bảng 2.1 Một số chỉ tiêu chất lượng chính của bột khoai lang khô .................. 27 Bảng 3.1 Kết quả xác định một số chỉ tiêu của dịch khoai lan trước khi lên men .................................................................................................. 38 Bảng 3.2 Kết quả phân tích thành phần hóa học sản phẩm thu được ở các công thức phối chế khác nhau ........................................................... 39 Bảng 3.3. Kết quả đánh giá cảm quan sản phẩm thu được ở các công thức phối chế khác nhau ........................................................................... 40 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của chế độ thanh trùng đến chất lượng cảm quan của nước khoai lang tím sau khi rót chai ................................................. 42 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của chế độ thanh trùng đến một số chỉ tiêu vi sinh vật của nước khoai lang tím sau thời gian bảo ôn.................................... 43 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của chế độ thanh trùng đến chất lượng cảm quan của nước khoai lang tím sau thời gian bảo ôn .......................................... 44 Bảng 3.7 Sự biến đổi về các chỉ tiêu vi sinh vật của nước khoai lang tím thanh trùng theo công thức CT17 trong 2 tháng bảo quản ở 4 - 6oC .. 45 Bảng 3.8 Sự biến đổi về chất lượng cảm quan của nước khoai lang tím thanh trùng theo công thức CT17 trong 2 tháng bảo quản ở 4 – 6oC .. 45 Bảng 3.9 Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn lactic khác nhau tới chất lượng của dịch khoai lang tím sau lên men ....................................... 46 Bảng 3.10 Ảnh hưởng của các chủng vi khuẩn lactic khác nhau tới chỉ tiêu cảm quan của dịch khoai lang tím ..................................................... 47 Bảng 3.11 Ảnh hưởng của nồng độ vi khuẩn L.bulgaricus tới chất lượng dịch khoai lang tím sau lên men ........................................................ 49 Bảng 3.12 Ảnh hưởng của nồng độ vi khuẩn L. bulgaricus tới chất lượng cảm quan của dịch khoai lang tím sau lên men .................................. 51 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page vi Bảng 3.13 Sự biến đổi chất lượng của dịch khoai lang tím lên men lactic trong thời gian bảo quản ở 4 – 6oC .................................................... 52 Bảng 3.14 Sự biến đổi chất lượng cảm quan của nước khoai lang tím lên men lactic trong thời gian bảo quản ở 4 – 6oC ................................... 53 Bảng 3.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men tới chất lượng nước khoai lang tím ..... 54 Bảng 3.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men tới chất lượng cảm quan nước khoai lang tím............................................................................................. 55 Bảng 3.17 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lên men tới chất lượng dịch khoai lang tím ................................................................................... 56 Bảng 3.18 Ảnh hưởng của thời gian lên men tới chất lượng cảm quan của dịch khoai lang tím ................................................................................... 57 Bảng 3.19 Kết quả xác định các chỉ tiêu vi sinh vật trong nước khoai lang tím lên men lactic sau 30 ngày bảo quản ở nhiệt độ 4 - 6oC .......................... 58 Bảng 3.20 Các chỉ tiêu cảm quan của sản phẩm nước khoai lang tím lên men lactic sau 30 ngày bảo quản ở 4 – 6oC ............................................... 59 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Công thức và chất màu anthocyanin từ khoai lang tím ........................6 Hình1.2 Hình thái Lactobacillus acidophilus .................................................. 22 Hình 1.3 Hình thái Lactobacillus bulgaricus ................................................... 24 Hình 1.4 Hình thái Lactobacillus plantarum ................................................... 25 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page viii DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT CFU : Colony forming unit CKHTTS : Chất rắn hòa tan tổng số CT : Công thức DE : Mức độ thủy phân tinh bột thành đường EMP : Embden-Meyerhof Parnas FAO : Tổ chức lương thực thế giới HDPE : Hight Density Poly Etylen L : Lactobacillus PC : Polycarbonate TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TN : Thí nghiệm TSS : Chất rắn hòa tan tổng số VK : Vi khuẩn Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page ix MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Khoai lang tím Nhật Bản là giống hiện đang được trồng nhiều tại Đồng bằng sông Cửu Long, đây là giống khoai vượt trội về năng suất, chất lượng và thời vụ thu hoạch cũng như hiệu quả kinh tế mà nó đem lại cho người dân địa phương. Ngoài giá trị cung cấp năng lượng với nhiều loại vitamin A, B, C, E và các chất khoáng K, Ca, Mg, Fe, Se…, giàu chất xơ thực phẩm thì khoai lang tím Nhật Bản còn có những ưu điểm vượt trội do có chứa một hàm lượng cao chất chống ôxy hóa có tác dụng ngăn chặn sự phát triển của tế bào ung thư, chống lão hóa, bao gồm các hợp chất phenol, anthocyanin (đây là hợp chất có hàm lượng rất cao trong khoai lang tím), carotenoid (Nguyễn Đăng Mại và cs., 1995). Đây cũng là lý do mà các nhà sản xuất ở Nhật Bản đã sử dụng khoai lang tím là một trong những nguyên liệu chủ yếu để chế biến loại nước uống chức năng. Hơn nữa, nhu cầu về đồ uống ở Việt Nam là khá lớn nhưng hiện nay trên thị trường đồ uống không cồn chủ yếu là nước giải khát pha chế từ hương liệu và một số ít nước quả đục với giá thành cao. Do đó nghiên cứu sản xuất một loại đồ uống có chứa các hoạt chất sinh học tự nhiên, dễ hấp thu và có hương vị, màu sắc hấp dẫn từ khoai lang tím là một hướng đi có nhiều triển vọng, mang ý nghĩa thực tế cao. Chính vì vậy, sử dụng nguyên liệu khoai lang tím và ứng dụng lên men lactic là một hướng đi mới nhiều triển vọng nhằm tạo ra sản phẩm cuối cùng là đồ uống lên men lactic từ khoai lang tím đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng và thị hiếu của người tiêu dùng. Sản phẩm này sẽ có các điểm lợi lớn, đó là: tận dụng được các thành phần có lợi, đặc biệt là các thành phần có hoạt tính sinh học có sẵn trong khoai lang để nâng cao sức khỏe và phòng ngừa bệnh tật; sản phẩm lên men lactic sẽ giúp cải thiện hệ vi sinh vật đường ruột, làm tăng khả năng tiêu hóa thức ăn; đa dạng hóa sản phẩm chế biến từ khoai lang tím. Chính từ các lý do trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu một số thông số công nghệ trong chế biến nước uống lên men lactic từ khoai lang tím”, nhằm tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt phù hợp với thị hiếu của người tiêu dùng. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 1 2. Mục đích - yêu cầu 2.1. Mục đích Đưa ra được một số thông số công nghệ trong chế biến nước uống lên men lactic từ khoai lang tím. 2.2. Yêu cầu - Xác định một số chỉ tiêu hóa học của dịch khoai lang tím trước khi tiến hành lên men lactic. - Xác định tỷ lệ phối chế thích hợp cho sản phẩm nước uống men lactic từ khoai lang tím Nhật Bản. - Xác định chế độ thanh trùng thích hợp cho nước khoai lang tím. - Lựa chọn chủng vi khuẩn lactic phù hợp cho quá trình lên men. - Xác định các điều kiện lên men lactic thích hợp cho sản phẩm nước uống men lactic từ khoai lang tím giống Nhật Bản. - Xác định một số chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm. - Đề xuất quy trình chế biến nước uống lên men lactic từ khoai lang tím giống Nhật Bản. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 2 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Giới thiệu chung về khoai lang tím 1.1.1. Nguồn gốc, phân bố của khoai lang tím Khoai lang tím là một giống khoai lang được nghiên cứu đưa vào sản xuất bởi Viện nghiên cứu nông nghiệp quốc gia Nhật Bản có tên là Murasakimasari. Đây là một nguồn chất màu tím tốt và ổn định vì nó có sản lượng lớn với hàm lượng anthocyanin cao (Ikuo Suda et al., 2003). Ở nước ta khoai lang tím chủ yếu được trồng ở Đà Lạt và một số tỉnh miền Nam như: An Giang, Vĩnh Long, Kiên Giang cho sản lượng khá lớn đem lại thu nhập ổn định cho nông dân ở các tỉnh này. Do vậy việc chọn khoai lang tím làm nguyên liệu trong đề tài nghiên cứu này sẽ góp phần làm tăng giá trị sử dụng của khoai lang tím. Đồng thời tìm ra một sản phẩm mới vừa ngon vừa bổ dưỡng (Nguyễn Văn Tuất, 2008). 1.1.2. Thành phần hóa học của khoai lang tím Về mặt cấu tạo, khoai lang tím gồm 3 phần : vỏ ngoài, vỏ cùi và thịt củ. Vỏ ngoài: Mỏng, chiếm 1% trọng lượng củ, gồm những tế bào có chứa sắc tố, cấu tạo chủ yếu là cellulose và hemicellulose có tác dụng: làm giảm các tác động từ bên ngoài, hạn chế sự bay hơi nước của khoai lang trong quá trình bảo quản. Vỏ cùi: Chiếm 5 - 12%, gồm những tế bào chứa tinh bột, nguyên sinh chất và dịch thể. hàm lượng tinh bột ở vỏ cùi ít hơn ở thịt củ. Thịt củ: Gồm các tế bào nhu mô chứa chủ yếu là tinh bột và các hợp chất chứa nitơ. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 3 Bảng 1.1. Thành phần hóa học của khoai lang tím trong 100g nguyên liệu tươi Thành phần hóa học Hàm lượng Đơn vị Nước Anthocyanin Protein Gluxit Lipit Xơ Zn 67,86 0,06 0,311 29,11 0,26 1,42 0,8637 g g g g g g mg Kim loại Cd 0,0012 mg nặng Pb 0,0482 mg Cu 0,142 mg 0,978 g Các thành phần khác Tổng 100 g (Nguồn: Trương Thị Minh Hạnh và cs., 2009) Thành phần hóa học của khoai lang dao động trong khoảng rộng tùy thuộc vào giống, đất trồng, điều kiện chăm bón và mức độ già. Khi khoai lang già, hàm lượng nước chiếm khoảng 60 - 75%, còn tinh bột khoảng 15 - 31%. Khác với sắn và khoai tây, khoai lang chứa khá nhiều đường (5 - 10%) chủ yếu là glucose. Trong khoai còn có cả hệ enzyme phức tạp, sau khi thu hoạch các enzyme đều hoạt động mạnh nhưng mạnh nhất là amylase. Do amylase thủy phân tinh bột thành đường nên trong thời gian sau thu hoạch thì lượng tinh bột trong củ giảm, hàm lượng đường (độ ngọt) trong khoai tăng. Trong củ khoai lang, phần thịt củ chiếm ưu thế gần như toàn bộ củ, thịt củ có thành phần chủ yếu là tinh bột. Tinh bột không phải là một chất riêng biệt, nó bao gồm hai thành phần là amylose và amylopectin. Tinh bột khoai lang có hình bầu dục, kích thước hạt khoảng 5 - 50 nm, hàm lượng amylose 19% và amylopectin 81%. Amylose là loại mạch thẳng, gồm 200 - 300 α -glucoza được nối với nhau bằng các cầu oxy tại các vị trí liên kết 1,4 thành một chuỗi xoắn không phân nhánh. Amylopectin là polyme mạch nhánh, gồm các α- glucoza liên kết với nhau bằng cầu oxy tại liên kết 1,4 chủ yếu. Cứ 15 30 đơn vị glucoza lại có một liên kết tại vị trí 1,6 (Bùi Đức Hợi và cs., 2007). Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 4 Tuy nhiên, các thành phần trên không cố định mà thay đổi theo giống, khí hậu, thổ nhưỡng, điều kiện canh tác… Ngoài giá trị cung cấp năng lượng với nhiều loại vitamin A, B, C, E và các chất khoáng K, Ca, Mg, Fe, Se…, giàu chất xơ thực phẩm thì khoai lang tím Nhật Bản còn có những ưu điểm vượt trội so với các giống khoai lang khác. Những nghiên cứu gần đây cho thấy giống khoai lang tím có chứa một lượng anthocyanin đáng kể với tác dụng kháng oxy hoá rất mạnh, có khả năng kiềm chế đột biến của tế bào ung thư, ngăn ngừa ung thư, hạ huyết áp, phòng ngừa bệnh tim mạch. Chất màu trong khoai lang tím hiện đang được một số nhà nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu để thu nhận chất màu thực phẩm thiên nhiên thay thế cho chất màu nhân tạo. Bao gồm các hợp chất phenol, anthocyanin, carotenoid, trong đó khoai lang tím chứa chất chống oxy hóa tổng số nhiều nhất. Đó là lý do các nhà sản xuất ở Nhật Bản đã sử dụng khoai lang tím là một trong những nguyên liệu chủ yếu để chế biến loại nước uống chức năng (Quách Nghiêm, 1992). Hợp chất anthocyanin có trong củ khoai lang tím Nhật Bản Hợp chất anthocyanin có trong khoai lang tím với hàm lượng từ 0,23 1,82%, đây là một hợp chất thuộc nhóm flavonoid. Anthocyanin là chất màu tự nhiên có nhiều tính chất, tác dụng quý báu, bởi vậy nó được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm cũng như trong y học. Trong sản xuất thực phẩm cùng với các chất màu tự nhiên khác như carotenoid, clorofil, anthocyanin giúp sản phẩm hồi phục lại màu tự nhiên ban đầu, tạo ra màu sắc hấp dẫn cho mỗi sản phẩm. Đồng thời do có khả năng kháng oxy hóa nên chúng còn được dùng để làm bền chất béo. Trong y học tác dụng của anthocyanin rất đa dạng nên được ứng dụng rộng rãi: do khả năng làm giảm tính thấm thành mạch và thành tế bào nên được sử dụng trong trường hợp chảy máu, hoặc có nguy cơ chảy máu. Do có khả năng chống oxy hóa nên anthocyanin được sử dụng để chống lão hóa, hạn chế sự giảm sức đề kháng do sự suy giảm của hệ thống miễn dịch, nhờ có tác dụng chống tia phóng xạ nên có thể hỗ trợ cho cơ thể sống trong môi trường có những bức xạ điện từ. Ngoài ra, anthocyanin còn được dùng trong điều trị chống Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 5 dị ứng, viêm loét do nguyên nhân nội sinh hay ngoại sinh, kháng nhiều loại vi khuẩn khó tiêu diệt, tăng chức năng chống độc của gan, ngăn ngừa sự nhiễm mỡ gan và hoại tử mô gan, điều hòa lượng cholesterol trong máu, tránh nguy cơ tắc nghẽn xơ vữa động mạch, phục hồi trương lực tim, điều hòa nhịp tim và huyết áp, điều hòa chuyển hóa canxi, làm giảm đau do tác dụng co thắt cơ trơn, làm giảm các đám xuất huyết nhỏ trong bệnh tiểu đường. Ngoài ra anthocyanin còn có thể có nhiều ứng dụng khác do các phản ứng đa dạng của chúng trong các enzyme và các quá trình trao đổi chất khác nhau, chính vì vậy việc quan tâm đến thực phẩm giàu anthocyanin ngày càng được tăng cường vì nó có lợi cho sức khỏe con người (Thái Thị Ánh Ngọc, 2011). Hình 1.1. Công thức và chất màu anthocyanin từ khoai lang tím (Nguồn: Ikuo Suda et al., 2003) Tinh bột Là thành phần chủ yếu trong các chất gluxit có trong khoai lang nói chung và khoai lang tím nói riêng. Hàm lượng tinh bột trung bình của khoai lang tím chiếm khoảng 60 - 70% chất khô, tương đương khoảng 18% trọng lượng củ tươi. Nói chung khoai trồng vụ xuân hè có hàm lượng tinh bột cao hơn trồng vụ đông (Trương Thị Minh Hạnh và cs., 2009). Đường Trong khoai lang tím có chứa hàm lượng đường biến động khoảng 4 -5%, Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 6 chiếm chủ yếu là đường saccaroza, fructoza. Đây là thành phần vừa mang lại giá trị dinh dưỡng vừa là góp phần tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm, đặc biệt là các sản phẩm chế biến trực tiếp từ củ tươi (Trương Thị Minh Hạnh và cs., 2009). 1.1.3. Tình hình chế biến khoai lang tím trên thế giới và trong nước 1.1.3.1. Tình hình chế biến khoai lang tím trên thế giới Trong thành phần củ khoai lang tím có chứa một lượng chất anthocyanin nhất định, đây là chất có tác dụng chống oxy hóa, phòng chống ung thư..., chính vì vậy mà khoai lang tím đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu chế biến để nhằm ra các sản phẩm có lợi cho sức khỏe con người. + Các kết quả nghiên cứu về hoạt tính chống oxi hóa của rượu khoai lang tím đã cho thấy rằng khả năng chống oxi hóa của rượu từ khoai lang tím mạnh hơn rượu vang đỏ ở cùng độ cồn 11%vol. Hoạt tính chống oxi hóa ở nước ép khoai lang tương đương với ở rượu khoai lang trước và sau khi lên men (Chu Wen-jing et al., 2007 ). + Trong quá trình nghiên cứu công nghệ sản xuất nước uống lactic từ khoai lang tím các tác giả đã xác định được các thông số kỹ thuật thích hợp nhằm tạo ra 02 dạng sản phẩm nước khoai lang lên men lactic giàu anthocyanin (lỏng và sệt) như sau: - Khoai lang không luộc hoặc được luộc ở 100oC trong 15 phút, xử lý bằng enzyme pectinex 0,05% để trích ly dịch, sau đó được cấy chủng Lactobacillus plantarum MTCC 1407 ở 38 ± 2 °C trong 12h để tạo nước uống lên men lactic. Dạng sản phẩm này có trạng thái lỏng. - Khoai lang nguyên liệu sau khi được gọt rửa, cắt miếng ngâm trong dung dịch muối NaCl 2-10%, sau đó nuôi cấy chủng Lactobacillus plantarum MTCC 1407 trong 28 ngày, nồng độ muối 8-10%. Sản phẩm cuối cùng có pH 2.9-3.0, axít citric 2.9-3.7 g/kg, axít lactic 2.6-3.2 g/kg, tinh bột 58-68 g/kg. Sản phẩm có trạng thái sệt (Smita et al., 2007) + Nhóm tác giả tại Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc gia khu vực Kyushu Okinawa, Nhật Bản đã xác định 8 loại anthocyanins chính trong 61 thực phẩm chế biến từ khoai lang tím giống Ayamurasaki và Murasakimasari tại Nhật Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 7 Bản. Các kết quả nghiên cứu đã xác định được lượng anthocyanins trong 10 loại thực phẩm chính như bột khô, vảy khô, khoai lang khô thường dao động từ 53,22 - 936,26 mg/100g; còn trong 13 loại đồ uống bao gồm đồ uống và giấm lên men có chứa lượng anthocyanin từ 1,19-131,95 mg/100ml và từ 33,00-376,39 mg/100g đối với 11 loại thực phẩm chiên, bao gồm cả chip và bánh bột chiên, 1,01-69,75 mg/100 đối với 27 loại thực phẩm thứ cấp chế biến, bao gồm cả các đồ ăn ngọt phương Tây và Nhật Bản. Cũng theo các nghiên cứu này, hàm lượng anthocyanins peonidin vượt quá 70% tổng hàm lượng anthocyanin trong 9 thực phẩm chế biến chính, 13 loại đồ uống, 6 của loại thực phẩm chiên và 21 các thực phẩm chế biến thứ cấp (Oki et al., 2010). + Trong nghiên cứu nhằm hoàn thiện công nghệ lên men rượu khoai lang tím đã sử dụng các biện pháp như: sử dụng enzyme trong quá trình thủy phân tinh bột từ khoai lang tím, làm trong rượu khoai lang tím bằng tác nhân làm trong chitosan, tăng khả năng chống oxi hóa của sản phẩm rượu khoai lang tím bằng các gốc tự do.... (Wei Na Fu et al., 2011). + Theo các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các chất màu trong khoai lang tím đến một số loại vi sinh vật nhóm tác giả cho thấy E.coli và S.aureus bị ức chế mạnh bởi các chất màu trong khoai lang tím và mức độ ức chế phụ thuộc vào hàm lượng các chất màu này. Nghiên cứu chỉ ra rằng các chất màu đó có tác dụng thay đổi tính thấm của màng tế bào, làm tế bào phát triển không bình thường và ức chế sự phân chia tế bào. Tuy nhiên, các chất này lại không có tác dụng ức chế đối với S.Cerevisiae và Asp.Niger. Điều này cho thấy tác dụng của các chất màu có trong khoai lang tím trong việc ức chế các vi sinh vật gây bệnh mà không ảnh hưởng đến khả năng lên men (Han Yong – Bin et al., 2011). 1.1.3.2. Tình hình chế biến khoai lang tím trong nước Việc chế biến khoai lang ở Việt Nam chủ yếu là theo phương pháp thủ công, quy mô nhỏ, cho đến nay mới chỉ có một số cơ sở sản xuất chế biến các sản phẩm từ khoai lang như tinh bột khoai lang, bột khoai lang, còn các sản phẩm chế biến khác hầu như chưa được chú trọng. Phương pháp thông dụng nhất trong chế biến khoai lang là thái lát hay Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 8 thái con chì sau đó làm khô bằng cách phơi nắng, sản phẩm khoai lang lát khô được bảo quản trong chum, vại để tiêu thụ hoặc sử dụng dần. Trong vài năm gần đây, công nghệ chế biến các sản phẩm từ khoai lang đă bắt đầu được quan tâm. Khoai lang được sử dụng làm lương thực cho người, thức ăn chăn nuôi và làm nguyên liệu chế biến tinh bột, rượu, cồn, xirô, nước giải khát, bánh kẹo, mì, miến, phụ gia dược phẩm, màng phủ sinh học. Hiện nay một số công ty của Đài Loan, Nhật Bản, Hàn Quốc đang thăm dKò khả năng phát triển khoai lang để sản xuất tinh bột, rượu cồn, công nghệ thực phẩm và màng phủ sinh học (bioplastic). Đặc biệt, một số vùng đă tiến hành xuất khẩu khoai lang sang các thị trường lân cận với giá trị kinh tế cao mở ra một hướng phát triển mới cho cây khoai lang tại Việt Nam. Theo báo cáo điều tra cơ bản (Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn) có từ 30 - 50% khoai lang củ được sử dụng làm thức ăn cho gia súc, chỉ có khoảng 30% sản phẩm củ khoai lang được dùng thay thế cho lương thực. Các kết quả nghiên cứu chế biến và sản xuất khoai lang ở Việt Nam chưa nhiều, tuy nhiên cũng đã đạt được một số kết quả đáng kích lệ: - Theo tác giả Quách Nghiêm (1992) đã nghiên cứu công nghệ sản xuất miến từ khoai lang. Sản phẩm thu được có chất lượng tương đương miến dong riềng trong khi giá thành chỉ bằng 70 - 75%. - Theo các kết quả nghiên cứu của tác giả Nguyễn Đăng Mại và cs (1995) thì khoai lang còn có thể chế biến thành sản phẩm tương. Chất lượng sản phẩm tương được chế biến từ khoai lang tương tự như chế biến từ ngô nhưng khác ở chỗ khoai lang có màu đỏ đậm hấp dẫn hơn màu vàng cam của ngô. - Theo kết quả nghiên cứu của tác giả Huỳnh Thị Kim Cúc và cs (2014), khoai lang tím có thể chế biến sản phẩm nước khoai lang tím giàu anthocyanin, quy trình công nghệ chế biến đã được nghiên cứu thành công bằng cách thủy phân tinh bột khoai lang tím sau đó tiến hành phối chế, chiết rót, thanh trùng. Từ các thông tin trên cho thấy, tuy đã có một số nghiên cứu trên thế giới và trong nước nhằm đa dạng hóa các sản phẩm từ khoai lang nhưng sản phẩm chế biến từ khoai lang tím nói chung và sản phẩm đồ uống, đặc biệt là đồ uống Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 9 lên men lactic nói riêng từ khoai lang tím hầu như chưa được chú trọng nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất nhằm mục đích tận dụng tối đa nguồn hợp chất sinh học tự nhiên (đặc biệt là thành phần anthocyanin) và các thành phần dinh dưỡng có trong khoai lang tím, chính vì vậy vấn đề nghiên cứu của luận văn mang tính cấp thiết và thực tế. 1.2. Giới thiệu về vi khuẩn lactic và quá trình lên men lactic Acid lactic (CH3CHOHCOOH) được sử dụng từ rất lâu để bảo quản và chế biến thực phẩm. Acid này lần đầu tiên được phát hiện ra từ sữa bò lên men bởi nhà bác học Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele năm 1780 và được coi là acid sữa. Trong thời gian từ năm 1857 đến 1876 Pasteur đã chỉ ra rằng tất cả các quá trình lên men đều do tác dụng của vi sinh vật, mỗi dạng lên men đều do một loại vi sinh vật gây ra. Ông cũng chứng minh được quá trình làm sữa chua là kết quả hoạt động của một nhóm vi sinh vật đặc biệt gọi là vi khuẩn lactic. Năm 1878, Joseph Lister lần đầu tiên phân lập được một loại vi khuẩn lactic đặt tên là Bacterium lactic (hiện nay gọi là Streptococcus lactic), về sau các nhà khoa học liên tiếp phân lập được các loại vi khuẩn lactic khác nhau. Năm 1919, Orla Iencen là người đầu tiên nghiên cứu, phân loại có hệ thống các vi khuẩn lactic. Tiếp đó các nhà khoa học người Đức và Thụy Sĩ G.Muler và A.Ostervalder đã nghiên cứu tỉ mỉ các thay đổi hóa sinh trong các loại “rượu vang bị bệnh”. Ông đặt tên cho các loại nghiên cứu được là Bacterium mannitôpeum, Bacterium graccile, Bacterium intermedium, Micrococcus acidovorax, Micrococcus variococcus. Tuy nhiên việc định tên này chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Sau các nhà khoa học này còn có rất nhiều nhà khoa học khác nghiên cứu về vi khuẩn lactic trong các loại sản phẩm khác nhau như thịt , rượu vang, sữa... Tất cả các vi khuẩn lactic đều có những đặc tính chung: là vi khuẩn Gram dương, không chuyển động, không tạo bào tử, hô hấp yếm khí hoặc yếm khí tùy tiện. Chúng đều đòi hỏi nguồn dinh dưỡng tổng hợp chứa acid amin, peptit, vitamin, muối, acid béo, đường có khả năng lên men. Vi khuẩn lactic lên men đường để tạo ra năng lượng cần thiết cho sự phát triển của chúng. Nhờ quá trình Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 10 lên men đường được chuyển hóa thành acid lactic, etanol, acid axetic và dioxyt cacbon trong trường hợp lên men dị hình (Nguyễn Đức Lượng, 2002). 1.2.1. Phân loại vi khuẩn lactic Có rất nhiều cách phân loại khác nhau, vi khuẩn lactic có thể được phân loại theo các yếu tố sau : - Theo lượng sản phẩm tạo thành + Vi khuẩn lactic lên men đồng hình: lên men đồng hình là con đường lên men tạo ra 70 - 90% axít lactic. Vi khuẩn lactic lên men đồng hình có thể được chia thành hai nhóm đó là Streptococcus và Lactobacterium. + Vi khuẩn lên men lactic dị hình: lên men lactic dị hình là con đường lên men ngoài axít lactic tạo thành còn có các sản phẩm như axít axetic, CO2 và etanol. Trong đó axít lactic chiếm khoảng 40%, axít sucxinic chiếm 20%, etanol và axít axetic chiếm 10% còn các chất khí chiếm khoảng 20%. Tỷ lệ này thay đổi ít hay nhiều tùy thuộc vào loại vi khuẩn và điều kiện môi trường. Một số loài lên men lactic dị hình như Bacterium coli, Lactobacillus casei… - Theo nhiệt độ phát triển + Nhóm ưa ấm: nhiệt độ thích hợp từ 25-30oC, như Lactobacillus case. + Nhóm ưa nhiệt : nhiệt độ thích hợp 40 -44oC, như Lactobacillus bulgaricus, Steptococcus thermophilus. + Nhóm ưa lạnh : nhiệt độ thích hợp từ 0-15oC - Nhu cầu về oxy + Yếm khí tùy tiện: Có thể phát triển trong cả điều kiện yếm khí và hiếu khí tuy mhiên phát triển mạnh hơn trong điều kiện yếm khí. Phần lớn vi khuẩn lactic thuộc loại này. + Yếm khí : không thể phát triển được trong điều kiện hiếu khí. - Đặc điểm hình thái + Hình cầu : Steptococcus, Lactococcus, Vagococcus, Aerococcus, Leuconostoc... + Hình que : Lactobacillus và Carnobacterium Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 11 Ngoài ra vi khuẩn còn được phân loại theo các đặc điểm sinh lí sinh hóa, đặc điểm về cấu trúc, đặc điểm về miễn dịch...( Nguyễn Lân Dũng, 2006). 1.2.2. Cơ chế lên men lactic Lên men lactic là quá trình chuyển hóa đường thành axít lactic nhờ vi sinh vật, điển hình là vi khuẩn lactic. Lên men lactic là một trong những loại hình lên men phát triển nhất trong thiên nhiên, có hai kiểu lên men lactic chính là lên men đồng hình và lên men dị hình. - Lên men lactic đồng hình (điển hình) : Trong trường hợp này axít pyruvic được tạo thành theo sơ đồ EmbdenMayerhorf-Parnas (EMP). Sau đó axít pyruvic sẽ tạo thành axít lactic dưới tác dụng của enzyme lactatdehydrogenase. Lượng axít lactic tạo thành chiếm hơn 90%. Chỉ một lượng nhỏ pyruvat bị khử cacbon để tạo thành axít axetic, etanol, CO2 và axeton. Lượng sản phẩm phụ tạo thành phụ thuộc vào sự có mặt của oxy (Lê Ngọc Tú, 1997). - Lên men lactic dị hình (không điển hình) : Xảy ra trong trường hợp vi khuẩn lactic không có các enzyme cơ bản của sơ đồ Embden – Mayerhorf – Parnas (aldolase và triozophotphatizomerase), vì vậy xilulose 5-photphat sẽ được tạo thành theo con đường pento-photphat (PP). Trong trường hợp này chỉ có 50% lượng đường tạo thành axít lactic, ngoài ra còn có các sản phẩm phụ khác như: axic axetic, etanol, CO2. Các sản phẩm phụ tương tác với nhau tạo thành ester có mùi thơm. Phương trình tổng quát: C6H12O6 -> 2C3H6O3 +136 Kj (32,4 Kcal). Lượng sản phẩm phụ tạo thành hoàn toàn phụ thuộc vào giống vi sinh vật, vào môi trường dinh dưỡng và điều kiện ngoại cảnh, nói chung thì axít lactic thường chiếm 40% lượng đường đã được phân hủy, axít sucxinic 20%, rượu etylic chiếm 10%, axít axetic 10% và các loại khí gần 20%. (Lê ngọc Tú, 1997). 1.2.3. Nhu cầu dinh dưỡng của vi khuẩn lactic Vi khuẩn lactic có nhu cầu về chất dinh dưỡng rất phức tạp. Không một Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 12 đại diện nào của nhóm này có thể phát triển trên môi trường muối khoáng thuần khiết chứa glucoza và NH+4. Mặc dù đường cung cấp nguồn năng lượng cần thiết cho sự chuyển hóa vi khuẩn lactic vẫn đòi hỏi các nhân tố phát triển khác như vitamin, acid amin, lipit, những chất này phải có trong môi trường lên men (Lê ngọc Tú, 1997). Nguồn các bon: Là nguồn năng lượng quan trọng nhất cho vi khuẩn lactic là monosaccarit và disaccarit như: glucoza, lactoza, maltoza, saccaroza. Các nguồn cacbon này được sử dụng làm nguồn năng lượng, xây dựng cấu trúc tế bào và sinh ra các acid hữu cơ khác như acid citric, malic, pyruvic, fumaric,axetic...(Lê ngọc Tú, 1997). Nguồn nitơ: Vi khuẩn lactic đòi hỏi rất nhiều loại acid amin khác nhau vì vậy chúng cần môi trường có sẵn nguồn nitơ để đảm bảo sự phát triển của mình. Ví dụ như Lactobacillus sake không thể phát triển được nếu thiếu các acid amin sau: glycin, phenylalanin, histidin, methionin, valin, prolin, theonin, tyrosin và arganin. Acid amin có thể được đồng hóa dưới dạng peptit nhờ vào tác dụng của enzyme proteaza và peptidaza ngoại hay nội bào. Vi khuẩn lactic cũng có thể đồng hóa các acid amin cần thiết cho sự phát triển của chúng từ nguồn nitơ phức tạp như dịch chiết nấm men, dịch chiết thịt, pepton, trypton...Đây cũng chính là nguồn nitơ thường xuyên được sử dụng để chuẩn bị môi trường nuôi cấy. Tuy nhiên ở quy mô công nghiệp thì khó có thể sử dụng nguồn nitơ này vì nó rất tốn kém. Nguồn vitamin: Vi khuẩn lactic không có khả năng sinh tổng hợp vitamin, vì vậy cần bổ sung vào môi trường nuôi cấy các chất có chứa vitamin như nước khoai tây, ngô, khoai lang tím, dịch chiết nấm men và nhiều chất khác. Các vitamin đóng vai trò là coenzyme trong quá trình trao đổi chất của tế bào một vai trò quan trọng không thể thay thế được. E.I.Kvasnikov và cs đã nghiên cứu quan hệ giữa các chủng và vitamin. Họ đã kết luận rằng yêu cầu về vitamin riêng biệt của từng vi khuẩn lactic có thể thay đổi khi trong môi trường có chứa các acid amin hoặc acid béo và dizoxylribosit. Nhu cầu về acid foleic nếu sử dụng môi Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 13