Tên đề tài: “Nghiên cứu quá trình tiền xử lý và hệ vi sinh vật phân giải vỏ quả cà phê vối (Coffea robusta) để lên men tạo ethanol ”.

 Tác giả: Đỗ Viết Phương, Khóa: 2014

 Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm; Mã số: 62540101. Nhóm ngành: Công nghệ sản xuất và chế biến

 Người hướng dẫn chính: PGS.TS. Lê Nguyễn Đoan Duy, Trường Đại học Công nghiệp thực phẩm TP HCM

 Người hướng dẫn phụ: TS. Phạm Văn Tấn, Phân viện Cơ điện và Sau thu hoạch TP HCM

1. Tóm tắt nội dung luận án:

Luận án nghiên cứu một số phương thức trích ly ảnh hưởng đến hiệu suất khử caffeine và polyphenol trong vỏ quả cà phê như trích ly thông thường, trích ly có sự hỗ trợ của vi sóng và trích ly có sự hỗ trợ của siêu âm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất khử caffeine và polyphenol bằng phương pháp trích ly có sự hỗ trợ vi sóng đạt 92,3% (đối với caffeine) và 87,7% (đối với polyphenol) cao hơn so với hai phương pháp còn lại. Tuy nhiên, vì lý do kinh tế và tính khả thi nên phương pháp trích ly thông thường bằng nước nóng được lựa chọn cho việc khử caffeine và polyphenol.

Sử dụng các tác nhân khác nhau để tiền xử lý vỏ quả cà phê như: acid loãng, kiềm loãng, nấm mục trắng, vi sóng và sự kết hợp của các tác nhân trên nhằm tìm ra phương pháp tiền xử lý thích hợp nhất trên đối tượng vỏ quả cà phê có thành phần chất xơ lần lượt là: cellulose chiếm 25,88%, hemicellulose chiếm 3,6% và lignin chiếm 20,07%. Kết quả khi so sánh các phương pháp tiền xử lý khác nhau cho thấy, tiền xử lý bằng phương pháp kết hợp acid-kiềm-vi sóng đạt hiệu quả cao nhất khi loại bỏ được 71,4% hemicellulose và 79,2% lignin nhưng vẫn giữ lại được 69,5% cellulose ở điều kiện xử lý: H₂SO₄ 2% ở 140^oC trong thời gian 45 phút, NaOH (0,2 g/g) ở 120^oC trong thời gian 20 phút và vi sóng ở mức công suất 327 W trong vòng 20 phút.

Nghiên cứu cũng tập trung vào quá trình phân lập và tuyển chọn chủng nấm mốc Trichoderma từ các nguồn: Đất, cành lá, thân gỗ mục và quả cà phê hỏng. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, trong số 5 dòng nấm mốc phân lập được thì chủng Trichoderma asperellum QT5 (phân lập từ quả) có khả năng sinh tổng hợp cellulase hoạt tính cao nhất và đạt 1,17 U/mL (CMCase) sau 48 giờ nuôi cấy trên môi trường lỏng cơ bản. Sau đó enzyme cellulase thô được tinh sạch sơ bộ bằng ethanol (tỷ lệ enzyme:ethanol là 1:3,5) thì hoạt tính CMCase tăng lên đáng kể (21,72 U/mL).

Ngoài ra, khi ứng dụng enzyme cellulase thu nhận được vào quá trình thủy phân và lên men kết quả cho thấy, đường khử trong dịch thủy phân bởi cellulase thu nhận được là 26,02 g/L thấp hơn so với thủy phân bằng enzyme thương mại Viscozyme (38,21 g/L). Tuy nhiên, khi so sánh về chi phí/1 g ethanol tạo ra thì enzyme cellulase thu nhận được cho hiệu quả tương đương với enzyme thương mại.

Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, phương pháp lên men SHF (thủy phân và lên men độc lập) cho hiệu quả thủy phân cao hơn SSF (thủy phân và lên men đồng thời) và SHF+SSF nếu không xem xét đến mặt thời gian nhưng ngược lại phương pháp lên men SSF cho hiệu quả cao hơn nếu xét trong cùng một khoảng thời gian như nhau.

2. Những kết quả mới của luận án:

Cung cấp số liệu đầy đủ về thành phần hóa học vỏ quả cà phê vối (Coffea robusta) ở Việt Nam. Đồng thời khẳng định được vỏ quả cà phê là nguồn sinh khối lignocellulose phù hợp để sản xuất ethanol.

Đề xuất được giải pháp tiền xử lý có sự hỗ trợ của vi sóng để giảm đáng kể lượng hóa chất sử dụng (chỉ sử dụng kiềm loãng, acid loãng), giúp giảm ảnh hưởng đến môi trường và tăng hiệu suất; sự cần thiết của việc điều chỉnh thứ tự của các bước tiền xử lý theo thành phần nguyên liệu.

Đánh giá được sự hình thành và tác động của một số chất hóa học nguy hại cho quá trình lên men và đề xuất được giải pháp loại trừ.

Thu nhận được enzyme cellulase từ dòng nấm mốc Trichoderma asperellum (QT5) được phân lập từ bề mặt vỏ quả cà phê hỏng, ứng dụng có hiệu quả trong thủy phân vỏ quả cà phê vối.

Thông tin từ kết quả nghiên cứu là tư liệu khoa học cho việc nghiên cứu về ethanol sinh học từ các nguồn phụ phẩm có hàm lượng lignin cao, sử dụng trong giảng dạy về quản lý và tận dụng phụ phẩm trong sản xuất thực phẩm.

3. Các ứng dụng/khả năng ứng dụng trong thực tiễn, các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu:

Đề tài có tính khả thi cao vì nguồn nguyên liệu vỏ quả cà phê ở Việt Nam rất dồi dào. Bên cạnh đó các chế phẩm enzyme cellulase đã được thương mại hóa. Tuy nhiên, cần thực hiện một số khảo sát làm cơ sở cho việc phát triển sản phẩm với quy mô công nghiệp, cụ thể như sau:

Để nâng cao hiệu quả của quá trình tiền xử lý cũng như quá trình thủy phân, nên nghiên cứu các giải pháp thu hồi lượng đường khử từ dịch tiền xử lý để bổ sung ngược vào quá trình lên men hoặc là lên men riêng.

Để cải thiện hiệu quả của quá trình thủy phân cellulose bởi enzyme cellulase, trong các nghiên cứu tiếp theo nên đi sâu tìm hiểu cơ chế quá trình hấp thụ của enzyme cellulase lên bề mặt phân tử cellulose. Có thể tăng quá trình hấp thụ này bằng cách bổ sung một số chất hoạt động bề mặt như: Tween 80,  Pluronic F68, Polyoxyethyleneglycol, Emulgen 147, Neopelex F-25 hay Cationic Q-86W.

Để giảm hơn nữa chi phí cho các quá trình thủy phân và quá trình lên men, trong thời gian tới nên mở rộng nghiên cứu để tìm ra những phương pháp nhằm sử dụng hiệu quả một số enzyme cố định và nấm men cố định khác.       

1. Abstract:

This thesis studied some extraction methods that affect the efficiency of decaffeine and depolyphenols in coffee pulp such as reflux maceration, microwave-assisted extraction and ultrasound-assisted extraction. The result showed that the eliminating efficiency of caffeine and polyphenols using the microwave-assisted extraction method reached 92.3% and 87.7%, respectively. The received results were higher than those of the other methods. However, due to economic aspects and feasibility, the maceration was selected for decaffeine and depolyphenols process.

The different agents including acid, alkali, microwave and microbiological or a combination of the agents were used to find the most suitable pretreatment method on coffee pulp. The results showed that the pretreatment in a combination of dilute acid, dilute alkali and microwave was the most effective method. By the combination method, 69.5% of cellulose was retained; while 71.4% of hemicellulose and 79.2% of lignin were removed under treatment conditions as follows: H₂SO₄ 2% at 140^oC for 45 minutes, alkali pretreated with NaOH 0.2 g/g biomass at 120^oC for 20 minutes, and microwave at 327 W for 20 minutes.

The study also focused on the recovery of mold cellulase enzymes from various sources such as soil, branches, trunks and coffee pods. The results recorded that among five strains of molds isolated, Trichoderma asperellum QT5 had the highest activity of cellulase biosynthesis and reached to 1.17 U/mL (CMCase) after 48 hours of culture in a basic liquid medium. Then, the crude enzyme was purified by ethanol (enzyme:ethanol ratio of 1:3.5), the CMCase activity increased significantly (21.72 U/mL).

In addition, when using the recovery cellulase enzyme for the hydrolysis and fermentation processes, the results indicated that the reducing sugar in the hydrolyzate using the recovery cellulase was 26.02 g/L lower than that of the commercial Viscozyme (38.21 g/L). However, when using cost per 1 g of ethanol produced for comparison between the two enzymes, the recovery cellulase enzyme was the same efficiency in comparison with the other commercial enzyme.

Furthermore, the result of the study also showed that the separate hydrolysis and fermentation (SHF) method was more effective hydrolysis than simultaneous saccharification and fermentation (SSF) and SHF + SSF if ignoring the fermentation time. By contrast, the SSF fermentation method was more effective than the others in the same fermentation time.

2. New points:

Provide full data on the chemical composition of Robusta coffee pulp (Coffea robusta) in Vietnam. Besides, it was confirmed that the coffee pulp was a suitable source of lignocellulose biomass for ethanol production.

Propose a microwave-assisted pretreatment solution to significantly reduce the amount of using chemicals (only use dilute alkaline, dilute acid) that help reduce environmental pollution and increase efficiency; the need to adjust the order of pretreatment steps according to the material composition.

Evaluate the formation and impact of a number of poisonous chemicals for fermentation and propose a solution to eliminate.

Recovery cellulase enzyme from Trichoderma asperellum (QT5) isolated from the surface of broken coffee pods, effectively applied in the hydrolysis of Robusta coffee pulp.

The information from these results was a scientific document for the study of bioethanol from sources of high lignin sub-products and used in teaching about management and utilization of sub-products in food production.

3. Application/applicability in practice and further studies:

The study is highly feasible because the material of coffee pulp in Vietnam is plentiful. In addition, cellulase enzyme preparations have been commercialized. However, some surveys should be conducted as a basis for the development of products that processed on the industrial scale, as follows:

In order to improve the efficiency of the pretreatment process as well as the hydrolysis process, the reducing sugars should be recovered from the pretreatment process to add back to the fermentation process or separate fermentation.

In order to improve the efficiency of hydrolysis by cellulase enzyme, the next study should study the mechanism of cellulase enzyme adsorption on the cellulose molecule surface. This absorption process can be increased by adding some surfactants such as Tween 80, Pluronic F68, Polyoxyethyleneglycol, Emulgen 147, Neopelex F-25 or Cationic Q-86W.

In order to further reduce the costs of hydrolysis and fermentation processes, further study should find ways to effectively use certain immobilizing enzymes and other immobilizing yeasts.

• Xem chi tiết nội dung luận án
• Xem thông tin đăng tải tại Website Bộ giáo dục và Đào tạo. (Nhập tên NCS vào ô tìm kiếm)