Đề tài Công nghệ sản xuất các sản phẩm lên men từ phế liệu rau trái

LỜI MỞ ĐẦU Trong chế biến rau quả, lượng nguyên liệu loại ra chiếm tới 50% khối lượng nguyên liệu rau quả đưa vào chế biến. Phế liệu rau quả bao gồm: Các cá thể rau quả hay bộ phận của nó không đạt quy cách chế biến sản phẩm như xanh quá, chín quá, bầm dập, sâu bệnh, không đạt kích thước yêu cầu. Các bộ phận không ăn được hoặc ăn được nhưng có giá trị dinh dưỡng thấp như vỏ, hạt, lõi, bã… Các phế thải này chứa các chất dinh dưỡng như tinh bột, đường, protein, lipit, vitamin, tinh dầu…với hàm lượng khác nhau, tùy thuộc nguồn gốc, độ chín, bộ phận và phương pháp chế biến. Dưới tác dụng của vi sinh vật tồn tại trong thiên nhiên, phế liệu rau quả bị phân hủy làm ô nhiễm nhà máy, bãi đổ, ruộng đồng, nguồn nước nếu không được sử dụng thích đáng. Từ các phế thải của công nghiệp chế biến rau qủa (đồ hộp, sấy, lạnh đông) có thể sản xuất cồn, rượu vang, giấm, tinh dầu, pectin, dầu béo, bánh kẹo, thức ăn gia súc và phân bón. Vì vậy tận dụng phế liệu không chỉ đem lại lợi nhuận cho xí nghiệp, của cải cho xã hội mà còn góp phần bảo vệ sinh quyển được trong sạch và cân bằng là hướng quan tâm ngày càng nhiều của các nhà kinh tế, kỹ thuật. Trong những năm gần đây đã có nhiều thành tựu kỹ thuật mới trong lãnh vực tận dụng phế liệu công nghiệp nói chung, phế liệu rau quả nói riêng. Đặc biệt là ứng dụng phương pháp lên men từ phế liệu rau quả để sản xuất những sản phẩm như acid hữu cơ, dấm, cồn… PHẦN 1: ACID HỮU CƠ ACID ACETIC Giới thiệu Công thức hóa học: CH3COOH. Khối lương phân tử của acid acetic là 60,05. Acid acetic ở dạng lỏng có mùi xốc rất đặc trưng, nhiệt độ bốc hơi:400C, nhiệt độ sôi: 117÷1180C, nhiệt độ bão hòa:16÷170C Acid acetic hoàn toàn tan trong nước, cồn, ester, benzen, axeton, và trong cloroform. Acid acetic rất bền với chất oxy hóa như acid chromic, permanganate. Chúng có khả năng hòa tan celulose, các hợp chất tương tự cellulose. Chúng cò khả năng phân hủy da, gây bỏng da, ăn mòn nhiều kim loại. Acid acetic hiện nay được điều chế bằng nhiều phương pháp : Phương pháp hóa gỗ. Phương pháp hóa học. Phuơng pháp sinh học. Phương pháp kết hợp. Nhưng hiện nay acid acetic được điều chế chủ yếu bằng phương pháp lên men, so với các phương pháp khác thì phương pháp lên men có rất nhiều ưu điểm: Nguyên liệu sản xuất bằng phương pháp lên men rất rẻ tiền. Có thể sử dụng nguyên liệu chứa đường ( nước ép trái cây, nước trái dừa, nước ép mía..), có thể sử dụng nguyên liệu chứa tinh bột và có thể sử dụng cồn công nghiệp. Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột, phải trải qua ba giai đoạn chuyển hóa. Giai đoạn chuyển hóa tinh bột thành đường. Giai đoạn chuyển hóa đường thành cồn. Giai đoạn chuyển hóa cồn thành acid acetic. Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa đường thì qua hai giai đoạn chuyển hóa: Giai đoạn chuyển hóa đường thành cồn. Giai đoạn chuyển hóa cồn thành acid acetic. Nếu sản xuất từ nguyên liệu đã chứa cồn thì chỉ cần tạo điều kiện thuận lợi để vi khuẩn acetic chuyển cồn thành acid. Quá trình chuyển hóa (hay quá trình lên men) được thực hiện ở điều kiện rất ôn hòa, không cần nhiệt độ cao, áp suất cao hay máy móc, thiết bị phức tạp. Công nghệ sản xuất acid acetic hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường Acid tổng hợp bằng phương pháp hữu cơ có nồng độ rất cao từ 96÷99,5% Acid acetic sử dụng trong thực phẩm thường dưới dạng lỏng chứa 3÷4% acetic và được gọi là giấm. Giấm Giấm là dung dịch acid acetic loãng được sản xuất bằng phương pháp lên men qua hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất, quá trình lên men đường được biến đổi thành rượu bằng nấm men, giống nấm men thông thường dùng là S.cerevisiae , trong khi đó giai đoạn thứ hai, giống vi khuẩn Acetobacter (vi khuẩn acetic) oxi hóa rượu thành acid acetic. Nguồn nguyên liệu: Nguyên liệu Nguyên liệu sản xuất giấm bằng phương pháp lên men có thể từ : nguyên liệu chứa tinh bột:khoai tây, gạo, khoai lang, lúa mì, lúa mạch… nguyên liệu chứa đường: nước ép trái cây, trái cây ( dứa, chuối, táo ,lê…) nguyên liệu chứa cồn: rượu vang, rượu táo, rượu mạnh… Tóm lại nguyên liệu sản xuất giấm rất đa dạng như sản xuất cồn nhưng ở Việt Nam chủ yếu từ chuối, dứa, gạo, rượu cất. Ở bài báo cáo này chỉ đề cập đến nguyên liệu từ phế liệu rau trái như bã dứa, vỏ chuối, vỏ khoai tây…. Vậy có thể chia nguyên liệu điều chế giấm từ 2 nguồn: Nguyên liệu là phế liệu các loại quả có chứa đường: bã dứa, chuối… Phế liệu các loại quả có chứa đường thu được sau khi sản xuất mứt, nước quả, quả muối chua, quả khô… mà còn chứa một lượng đường không dưới 8% thì có thể dùng để sản xuất giấm. Các phế liệu này không thể chế biến ngay trong thời kỳ nhà máy đang sản xuất các mặt hàng chính nên người ta thường sấy khô chúng ( đến độ ẩm không quá 8%) rồi bảo quản trong các bao hoặc thùng. Có thể bảo quản phế liệu ( bã ) trong các thùng, hộp hoặc bể có cho thêm nấm men khi điều kiện không khí xâm nhập khó khăn. Trong trường hợp này rượu và acid cacbonic tạo ra do sự lên men đường bởi nấm men là yếu tố bảo quản Bã trong các thùng, hộp, bể được nén chặt bằng các dầm nén , hoặc các tấm gỗ, rôúi tưới đều dịch canh trường nấm men với lượng 2-3 l trên 100 kg bã. Người ta sản xuất nấm men ở dạng canh trường thuần khiết, cũng như người ta dùng nấm men khoẻ lấy từ vang non. Thời gian lên men bã là 6-7 ngày. Bã sau khi lên men có thể được bảo quản được 2- 3 thang Nguyên liệu từ phế liệu chứa tinh bột: vỏ khoai tây Bảng 1: Thành phần vỏ khoai tây Thành phần Hàm lượng (%) Protein 1.7 N tổng 0.27 Béo 0 Xơ 0.8 Tro 2.2 Độ ẩm 86 Vi sinh vật lên men acid acetic Có rất nhiều loài vi sinh vật có khả năng lên men để tạo ra acid acetic. Tất cả các vi khuẩn có khả năng lên men tạo ra acid acetic được gọi chung là vi khuẩn acetic. Các loài vi sinh vật acetic không chỉ có khả năng lên men cồn để tạo thành acid acetic, mà còn có khả năng chuyển hóa được rượu propionic thành acid propionic và chuyển hóa rượu butyric thành acid butylic. Các loài vi sinh vật acetic không thể oxy hóa được rượu bậc cao và rượu metylic. Các loại vi sinh vật acetic là những loài hiếu khí mạnh. Trong điều kiện môi trường đầy đủ và lượng oxy được cung cấp liên tục, chúng có thể tăng sinh khối sau 12 giờ gấp 17 triệu lần so với sinh khôi ban đầu. Trong số 20 loài hiện đã được nghiên cứu kỹ, cho thấy khả năng có thể áp dụng vào thực tế sản xuất, các giống vi sinh vật sau đây được xem như có nhiều ưu điểm hơn cả. Acetibacter acetic: Vi khuẩn này có hình dạng giống như vi khuẩn hình que khác, nhưng kích thước rất ngắn. Chúng không thể tạo được bào tử và các tế bào thường tạo thành hình chuỗi có kích thước r ất dài. Khi nhuộm iot tế bào chuyển hóa thành màu vàng. Chúng chịu được nồng độ rượu 11% V và trong điều kiện môi trường thuân lợi, chúng có khả năng tạo ra được 6% acid acetic. Nhiệt độ thích hợp nhất để acetobacter phát triển là 34oC. Acetobacter pasteurianum: Hình thái acetobacter pasteurianum giống acetobacter aceti, nhưng khi ta nhuộm chúng với iod, tế bào sẽ cho màu xanh. Khả năng chịu nông độ cồn của chúng thấp hơn của acetorbacter aciti. Trong điều kiện thuận lợi, chúng có khản năng tạo được 5-6% acid acetic. Acetobacter orlcancuse: Hình thài vi khuẩn này giống hai vi khuẩn trên nhưng lại có kích thước nhỏ hơn nhiều. Đặc biệt hai đầu của tế bào thường nhỏ lại. Nhiều trường hợp người ta lẫn ộn vi khuẩn này với vi khuẩn kỵ khí Clostridium. Trong dịch rước cấy, chúng thường tạo ra một váng rất mỏng trên bề mặt. Váng vi khuẩn thường rất chắc; khi nhuộm với iod, tế bào sẽ chuyển sang màu vàng. Vi khuẩn này chịu đựng được lượng cồn đến 12%V, và trong điều kiện lên men thích hợp, chúng có thể tạo ra được 9,5% acid acetic. Acetobacter xylinum: Vi khuẩn này khi phát triển trong môi trường thuận lợi có thể tạo ra 4,5% acid acetic và tạo ra một màng rất dày trên bề mặt môi trường. Ở nhiều nước như Trung Quốc, Triều Tiên và Nhật Bản, người ta thường sử dụng vi khuẩn này cùng với nấm men để sản xuất ra loại nước uống rất đặc biệt. Acetobacter Schiitzenbachii: Vi khuẩn này thuộc vi khuẩn hình que, nhưng kích thước của chúng dài hơn các giống đã trình bày ở trên. Chúng không tạo ra bào tử, không có khả năng chuyển động và thuộc vi khuẩn gram (-). Khi phát triển ở môi trường lỏng, chúng tạo ra lớp màng dày nhưng không chắc. Ở các nước trên thế giới, người ta thường sử dụng chúng để sản xuất giấm theo phương pháp chìm. Trong điều kiện môi trường thuân lợi, chúng có khả năng tạo được 11-12% acid acetic. Acetobecter curvum Về cơ bản vi khuẩn này giống Acetobecter schiitzenbachii Trong môi trường lên men thuận lợi, vi khuẩn này có thể tạo ra được 10-11% acid acetic. Vi khuẩn Acetobacter curvum tạo váng rất chắc trên bề mặt môi trường. Nhiệt độ lên men tối ưu của vi khuẩn này là 35-37oC. Acetobacter suboxydans Vi khuẩn Acetobacter suboxydans được sử dụng nhiều trong công nghiệp sản xuât vitaminC. Chúng có khả năng chịu đựng được nồng độ cồn rất cao. Nếu trong môi trườngta cho thêm một lượng nhỏ các chất dinh dưỡng cần thiết, ví dụ như glucose, vi khuẩn này có thể chuyển hóa hoàn toàn cồn thành acid acetic. Lượng acid acetic tạo được từ quá trình lên men có thể lên đến 13%. Nhiệt độ thích hợp cho vi khuẩn lên men tiến hành ở 28-30oC. Thời gian lên men xảy ra rất nhanh, chỉ cần 48 giờ, lượng acid acetic có thể đạt đến 13%. Trong quá trình lên men cần phải thông khí liên tục vì vi khuẩn này cần oxy rất nhiều cho quá trình chuyển hóa cồn thành acid acetic và cho quá trình phát triển. Quy trình sản xuất Quy trình 1: Phế liệu (Nước quả, quả muối chua,…) Trích ly Dịch Ép Chiết rút acetic Lên men acetic Cho vào thùng gỗ sồi Làm trong Lên men Thanh trùng Sản phẩm Bã Nấm men (2%) Bổ sung rượu Bã Mô tả quy trình công nghệ: Sau 8 - 14 giờ trích ly phế liệu, dịch trích ly cho chảy vào thùng, còn khối cặn bã được đem đi ép; nước ép thu được đem trộn với dịch trích ly đầu ( tỷ lệ 1:1) và được đưa vào thanh trùng trong thiết bị trao đổi nhiệt. Ơû trong thiết bị đun nóng làm việc liên tục, dịch được đun đến 85oC trong 2 - 3 phút, sau đó để nguội xuống 25oC và đưa đi lên men trong các thùng có dung tích 500 lít hoặc trong thùng hình nón dung tích 500 - 700 decalit có nắp kín. Nấm men cái đã chuẩn bị từ trứơc được cho vào thùng với lượng 2% so với thể tích dịch trích ly chứa trong thùng. Nhiệt độ lên men được giữ ở nhiệt độ giới hạn 18 - 25 oC, thời gian lên men khỏang 6-7 ngày. Rượu đã lên men được để lắng hoặc được rót gạn lấy rượu rồi cho chảy vào thùng chứa. Để làm trong rượu vang, người ta cho vào thùng keo tannin và gelatin hoặc tannin và casein, sau đó giữ trong kho lạnh có nhiệt độ 10 - 12oC trong 3 tháng. Việc chế biến rượu thành giấm được làm trong các thùng gỗ sồi dung tích 150 – 300 lít, chứa đầy phoi bào gỗ hoặc lõi ngô nằm ngang thành nhiều lớp. Hỗn hợp được thông khí qua lỗ có đường kính 3cm ở phía trước và phía sau thùng. Từ hỗn hợp rượu đã thanh trùng, người ta tính toán và pha rượu như thế nào để đạt được tổng nồng độ acid và rượu là 9 - 10%, sau đó người ta cho vào thùng đến 1/3 dung tích rồi cho giống vi khuẩn acetic hoạt động (từ 2-4 ngày) vào thùng với khoảng 25 lít cho 100 lít hỗn hợp. Nhiệt độ luôn giữ ở nhiệt độ 25 - 35oC. khi dịch trong thùng đạt được độ acid 8 - 9% ( qua 8-15 ngày) thì rút lấy giấm ra và lại thêm lượng rượu mới vào thùng. Hàm lượng rượu trong giấm lấy ra không được lớn hơn 1%. Mỗi ngày, mỗi thùng như thế có thể cho hiệu suất khoảng 0,08 - 0,14Kg acid acetic trên 100Kg dịch lên men, hoặc 1,1 - 2,8 lít giấm trên 100Kg dịch để lên men. Giấm thành phẩm được rót vào các chai thủy tinh hoặc các thùng sạch và được tàng trữ không dưới 2 tháng, sau đó đem lọc và pha ( để có nồng độ từ 5 – 9%) rồi đóng chai và thanh trùng ở 65 - 70oC trong 20 - 30 phút. Khi chế biến 1 tấn phế liệu quả táo, lê và các quả khác ( thu được khi sản xuất quả muối chua, nước quả, mứt) có lượng đường 8 - 10% sẽ thu lượng giấm 5% là 612 - 765 lít. Từ phế liệu của quả nho có chứa 15 – 20% đường sẽ thu được 1139-1530 lít giấm trên 1 tấn phế liệu. Quy trình 2: Bã khoai tây Ép Bổ xung vôi Nấu Lên men rượu Chưng cất Rượu Lên men acetic Chưng cất – trích ly Sản phẩm Men Men Hiệu chỉnh độ cồn Khi chế biến khoai tây thì mật tinh bột, bã, dịch tế bào và nước ép là các phế liệu. Sử dụng bã khoai tây: Bã ra khỏi rây chuyền sản xuất chứa khoảng 94% ẩm. Bã lớn và bã nhỏ chiếm khoảng 3-7% chất khô tuyệt đối của khoai tây tùy thuộc vào lượng tinh bột, vào loại khoai tây và mức độ nghiền. Lượng tinh bột nằm trong bã dao động trong khoảng 40-60% tùy thuộc vào chất lượng của máy mài. Trong bã có chứa các chất tan phi nitơ ( trừ tinh bột) là: dextrin, đường, chất pectin v.v… chiếm một lượng khoảng 3-3,5% trọng lượng chất khô. Xenllulose có trong bã 13,1-15,7% tùy thuộc vào bề dày của khoai tây. Bảng 2: Thành phần bã khoai tây như sau Thành phần Hàm lượng (%) Nước 95,51 Cenllulose 1,15 Tinh bột 2,3 Glucid tan 0,13 Chất khoáng 0,24 Hợp chất nitơ 0,24 Chất béo 0,02 Chất khác 0,41 Bã khoai tây để đảm bảo thời gian bảo quản cho tốt khỏi bị hư hỏng lên cần được ép làm tăng hàm lượng chất khô trong bã. Bã sau ép được nấu nhằm mục đích tiêu diệt một số vi sinh vật gây nhiễm cho quá trình lên men thuận lợi và làm tinh bột trương nở. Quá trình sản xuất acid acetic luôn được chuyển hóa từ rượu mà thành nên ta cần chuyển hóa từ tinh bột thành đường rồi thành rượu. Lượng ethanol sau thu được sẽ được hiệu chỉnh nồng độ để bước vào giai đoạn lên men actic. Tiến hành lên men theo phương pháp lên men nhanh hoặc lên men chậm tùy thuộc vào điều kiện thiết bị và điều kiện sản xuất. Quy trình 3: Thuyết minh quy trình: Để sản xuất dấm thì hàm lượng đường trong dịch quả phải đạt từ 8% trở lên. Cứ 1000l dịch quả có độ đường 8 – 10% sẽ thu được 612 – 765l giấm có hàm lượng acid acetic 10%. Sản xuất dấm từ dịch quả bao gồm các công đoạn: Thanh trùng dịch quả: 85oC trong 2 – 3 phút Làm nguội: 25 – 35oC Lên men thu rượu vang: 18 – 25oC trong 6 – 7 ngày, nấm men Saccharomyces (2% thể tích dịch quả) Gạn lọc làm trong rượu vang. Lên men rượu vang thu dấm: nồng độ cồn 10 – 13%; vi khuẩn acetic (Acetobacter aceti, A.pasteurianum, A.xylium…); pH không quá 4.5 – 5.0; bổ sung supephotphat, amoni photphat, kali cacbonat; thời gian lên men 8 – 10 ngày, nhiệt độ 24 – 37oC. Dấm thu được hàm lượng cồn không quá 0.5%, nồng độ acid acetic 10.5%. Tàng trữ để ổn định phẩm chất: 1 – 2 tháng Lọc, pha trộn thành dấm 5 – 9% acid acetic Đóng chai, thanh trùng: 65 – 70oC trong 20 – 30 phút. Nâng cao hàm lượng acid acetic: Sau khi lên men, hàm lượng acid acetic trong dịch lên men thường không cao. Hàm lượng này nằm trong khoảng 5 - 10%. Acid acetic có trong dịch men thường lẫn với các chất khác, do đó, dịch sau lên men chỉ có thể sử dụng để chế biến thực phẩm. Trong nhiều ngành cần sử dụng acid acetic, người ta yêu cầu hàm lượng acid acetic trong dung dịch phải cao và có độ tinh khiết. Chính vì thế việc nâng cao hàm lượng acid acetic trong dịch lên men và làm sạch acid acetic là việc làm rất cần thiết. Trong thực tế sản xuất acid acetic, người ta thường sử dụng những phương pháp sau để nâng cao hàm lượng và tinh chế acid acetic. Phương pháp chưng cất Người ta sử dụng phương pháp chưng cất thông thường để nhận acid acetic có hàm lượng cao hơn. Phương pháp này rất đơn giản và dễ thực hiện. Tuy nhiên phương pháp này thường tiêu hao nhiều năng lượng và hàm lượng acid acetic không cao Phương pháp chưng cất bằng muối Người ta thường sử dụng có khả năng phân ly mạnh làm thay đổi trạng thái cân bằng lỏng – hơi. Trong chưng cất có sự tham gia của muối CaCl2 hoặc CH3COONa hiệu suất thu nhận acid acetic thường rất cao. Phương pháp này có ưu điểm: Tốn ít năng lượng Sản phẩm đạt độ tinh khiết cao Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm: Phải hoàn nguyên cấu tử phân ly nên tốn thiết bị cho quá trình này. Gây ăn mòn thiết bị Nguyên lý hoạt động: Hình 1:Sơ đồ tháp chưng cất 1. Tháp chưng cất bậc 1 2. Tháp chưng cất bậc 2 3. Tháp chưng 4,5,6,7. Thiết bị ngưng 8,9. Thiết bị khuấy 10,11,12. Thiết bị chứa 13,14. Thùng thông áp 15. Thiết bị bốc hơi 16. Hoàn nguyên CaCl2 17. Hoàn nguyên CH3COONa Ở bậc 1, cấu tử phân ly là CaCl2 có tác dụng làm tăng độ bay hơi của acid acetic. Sản phẩm chính của bậc một là acid trung bình nồng độ khoảng 50% dùng làm hỗn hợp đầu cho bậc hai. Cấu tử phân ly bậc hai của CH3COONa có tác dụng làm tăng độ bay hơi tương đối của nước. Sản phẩm chính bậc hai là acid acetic tinh khiết có nồng độ 90% khối lượng. Toàn bộ hệ thống thiết bị làm việc liên tục ở áp suất thường. Các loại sản phẩm trung gian tuần hoàn trong hệ thống sản phẩm hệ thống là nước (có chứa acid acetic không dáng kể) và acid acetic tinh khiết nồng độ cao. Hệ thống làm việc như sau: Acid acetic 5-10% đo vào đĩa tiếp liệu của tháp 1. Dung dịch CaCl2 được hòa tan ở thùng khuấy 9, vào thùng chứa 11 và đi vào đĩa trên cùng của tháp 1. Hơi từ đỉnh tháp 1 đi vào thiết bị ngưng 5.Từ thiết bị 5, một phần lỏng (acid 50%) đi vào tháp chưng 2. Phần còn lại đi vào hai thùng khuấy 9 để hòa tan muối. Sản phẩm đáy vào thiết bị bốc hơi 15, từ đó phần acid thu được sau thiết bị 6 trộn với hỗn hợp đầu để đi vào tháp 1. CaCl2 được hoàn nguyên ở 16. Kết thúc bậc 1. Sau bậc 1, acid 50% đi vào tháp chưng 2. Hơi từ đỉnh tháp 2 đi vào thiết bị ngưng 4. Một phần lỏng sau ngưng (sp) có nồng độ acid 10% tuần hoàn về tháp 1. Phần còn lại (lượng hồi lưu) vào thùng khuấy 8 để hòa tan CH3COONa .Dung dịch muối đi vào thùng 10 rồi vào tháp 2 ở đĩa trên cùng. Sản phẩm đáy vào tháp chưng 3. Acid tinh khiết được lấy vào thùng chứa 12 sau thiết bị ngưng 7. Dung dịch muối từ đáy tháp 3 đi vào khu hoà