Luận văn Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến động học quá trình lên men rượu vang nho sử dụng nấm men cố định

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn các thầy cô trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình dạy bảo, xây dựng những kiến thức cơ bản cần thiết cho em trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến cô Tôn Nữ Minh Nguyệt và thầy Lê Văn Việt Mẫn vì sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình mà thầy cô đã dành cho em trong suốt quá trình làm luận văn. Mặc dù gặp nhiều khó khăn trong thời gian vừa qua, nhưng sự động viên, giúp đỡ của các thầy cô, bạn bè và gia đình đã giúp em hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao. Em xin chân thành cảm ơn tất cả những người đã giúp đỡ em hoàn thành tốt luận văn này. Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2008 Nguyễn Đức Ninh MỤC LỤC Danh mục các bảng Chương 2: TỔNG QUAN 3 Bảng 2.1: Thành phần của dịch nho và rượu vang thông thường 3 Bảng 2.2: Thành phần các một số acid hữu cơ chính trong dịch nho đỏ và rượu vang đỏ 6 Bảng 2.3: Các đặc tính mong muốn của nấm men vang 10 Bảng 2.4: So sánh các kỹ thuật cố định tế bào 12 Bảng 2.5: Một số chất mang sử dụng để cố định nấm men trong sản xuất rượu vang 14 Bảng 2.6: Tốc độ sử dụng cơ chất và hình thành sản phẩm của nấm men cố định trong gel alginate và nấm men tự do 26 Bảng 2.7: Các hợp chất hương chính của rượu vang tạo bởi nấm men cố định và nấm men tự do trong khoảng nhiệt độ 15 – 20oC 29 Bảng 2.8: Thành phần của rượu vang trắng lên men bằng 4 loại nấm men cố định trong gel alginate và nấm men tự do 30 Bảng 2.9: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến động học quá trình lên men trong quá trình lên men tĩnh rượu vang ở 30oC bởi tế bào cố định sấy thăng hoa (freeze-dried gluten supported biocatalyst – FGB), tế bào tự do sấy thăng hoa (freef reeze-dried cells – ffdc) và tế bào cố định chưa qua sấy (wet gluten supported biocatalyst – WGB) 33 Bảng 2.10: Các nguyên nhân cơ bản gây ra hiện tượng kéo dài thời gian lên men hoặc quá trình lên men kết thúc khi hàm lượng đường sót còn rất cao 44 Bảng 2.11: Năng suất sinh cồn trong quá trình lên men dịch nho bởi nấm men cố định trên kissiris, g-alumina và alginate tại 7, 13 và 27oC 47 Bảng 2.12: Các hợp chất dễ bay hơi tạo thành trong suốt quá trình lên men liên tục rượu vang sử dụng nấm men cố định trên miếng táo và quá trình lên men tĩnh sử dụng nấm men tự do. Quá trình lên men được thực hiện ở 30oC 48 Chương 3: NGUYÊN LIỆU và PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51 Bảng 3.1: Thành phần của dịch nho sau khi ép 52 Bảng 3.2: Các chất bổ sung vào dịch nho khi khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến quá trình lên men 56 Bảng 3.3: Các chất bổ sung vào dịch nho khi khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến quá trình lên men 56 Chương 4: KẾT QUẢ và BÀN LUẬN 66 Bảng 4.1: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của nấm men trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 69 Bảng 4.2: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến hàm lượng đường sót trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 72 Bảng 4.3: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến tốc độ sử dụng đường cực đại của nấm men trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 74 Bảng 4.4: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến tốc độ sử dụng đường riêng cực đại trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 74 Bảng 4.5: Độ lên men ứng với hàm lượng đường ban đầu khác nhau 75 Bảng 4.6: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến thời gian lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 75 Bảng 4.7: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến tốc độ sử dụng đường trung bình trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 76 Bảng 4.8: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến hàm lượng cồn đạt được trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 81 Bảng 4.9: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến tốc độ sinh tổng hợp cồn cực đại trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 82 Bảng 4.10: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến tốc độ sinh tổng hợp cồn riêng cực đại trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 83 Bảng 4.11: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến tốc độ sinh tổng hợp cồn trung bình của nấm men trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 84 Bảng 4.12: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến hiệu suất sinh tổng hợp cồn trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 86 Bảng 4.13: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến tốc độ sinh trưởng riêng cực đại trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 93 Bảng 4.14: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến hàm lượng đường sót trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 96 Bảng 4.15: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến tốc độ sử dụng đường cực đại trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 96 Bảng 4.16: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến tốc độ sử dụng đường riêng cực đại (chỉ xét cho giá trị cực đại đầu tiên) trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 97 Bảng 4.17: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến thời gian lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 99 Bảng 4.18: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến tốc độ sử dụng đường trung bình trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 99 Bảng 4.19: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến tốc độ sinh tổng hợp cồn cực đại trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 103 Bảng 4.20: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến tốc độ sinh tổng hợp cồn riêng cực đạitrong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 104 Bảng 4.21: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến tốc độ sinh tổng hợp cồn trung bình trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 105 Bảng 4.22: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến hiệu suất sinh tổng hợp cồn trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 106 Danh mục các hình vẽ Chương 2: TỔNG QUAN 3 Hình 2.1: Nho xanh và nho đỏ 4 Hình 2.2: Cơ chế của quá trình biến đổi các hợp chất nitơ bởi nấm men 6 Hình 2.3: Các acid không bay hơi trong rượu vang 6 Hình 2.4: Cấu trúc phân tử của acid tannic 8 Hình 2.5: Các kỹ thuật cơ bản để cố định tế bào 11 Hình 2.6: Cấu trúc của alginate 18 Hình 2.7: Cơ chế tạo gel của alginate theo phương pháp tạo gel từ bên ngoài 19 Hình 2.8: Cơ chế tạo gel của alginate theo phương pháp tạo gel từ bên trong 20 Hình 2.9: Con đường hình thành các chất tạo hương vị cho rượu vang 28 Hình 2.10: Hàm lượng ethanol (P) thay đổi theo thời gian ứng với các nồng độ cơ chất khác nhau. 31 Hình 2.11: Tốc độ sử dụng glucose cực đại và tốc độ tạo thành ethanol cực đại khi hàm lượng đường thay đổi 31 Hình 2.12: Sự thay đổi hàm lượng đường theo thời gian. 32 Hình 2.13: Sự sử dụng glucose trong suốt quá trình lên men. 33 Hình 2.14: Khả năng tạo cồn của nấm men trong suốt quá trình lên men 33 Hình 2.15: Aûnh hưởng của pH đến tốc độ lên men của nấm men cố định và nấm men tự do 35 Hình 2.16: Aûnh hưởng của pH đến khả năng sống sót của nấm men cố định 35 Hình 2.17: Aûnh hưởng của pH đến hàm lượng cồn tạo thành trong suốt quá trình lên men 36 Hình 2.18: Aûnh hưởng của hàm lượng SO2 đến quá trình lên men rượu vang trắng 37 Hình 2.19: Aûnh hưởng của SO2 đến hàm lượng cồn tạo thành trong suốt quá trình lên men. 38 Hình 2.20: Aûnh hưởng của tannin đến hàm lượng cồn tạo thành trong suốt quá trình lên men. 39 Hình 2.21: Aûnh hưởng của nhiệt độ lên men đến hàm lượng cồn tạo thành trong suốt quá trình lên men. 40 Hình 2.22: Aûnh hưởng của nhiệt độ đến động học quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men cố định trên DCM và nấm men tự do 41 Hình 2.23: Sự chuyển hóa acid malic bởi nấm men tự do và nấm men Schizosaccharomyces pombe cố định khi sử dụng các hàm lượng đường ban đầu khác nhau. 43 Hình 2.24: Động học của quá trình lên men rượu vang ở những nhiệt độ khác nhau sử dụng nấm men cố định trên gluten. 46 Chương 3: NGUYÊN LIỆU và PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51 Hình 3.1: Quy trình ép nho 51 Hình 3.2: Sơ đồ nghiên cứu 53 Hình 3.3: Quy trình cố định nấm men trong gel alginate bằng phương pháp tạo gel từ bên ngoài 54 Chương 4: KẾT QUẢ và BÀN LUẬN 66 Hình 4.1: Sự thay đổi mật độ tế bào nấm men trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L) 67 Hình 4.2: Sự thay đổi tốc độ sinh trưởng riêng của nấm men trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 68 Hình 4.3: Sự thay đổi nồng độ chất khô trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 70 Hình 4.4: Sự thay đổi hàm lượng đường trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 71 Hình 4.5: Sự thay đổi tốc độ sử dụng đường trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 72 Hình 4.6: Sự thay đổi tốc độ sử dụng đường riêng trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 73 Hình 4.7: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến tốc độ sử dụng đường trung bình trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 76 Hình 4.8: Sự thay đổi hàm lượng nitơ amin tự do trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 78 Hình 4.9: Sự thay đổi hàm lượng nitơ ammonium trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 79 Hình 4.10: Sự thay đổi hàm lượng cồn trong trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 80 Hình 4.11: Sự thay đổi tốc độ sinh tổng hợp cồn trong trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 82 Hình 4.12: Sự thay đổi tốc độ sinh tổng hợp cồn riêng trong trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 83 Hình 4.13: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến tốc độ sinh tổng hợp cồn trung bình trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 84 Hình 4.14: Aûnh hưởng của hàm lượng đường ban đầu đến hiệu suất sinh tổng hợp cồn trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 85 Hình 4.15: Sự thay đổi pH trong trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 86 Hình 4.16: Sự thay đổi hàm lượng acid tổng trong trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 87 Hình 4.17: Sự thay đổi hàm lượng acid dễ bay hơi trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng đường ban đầu thay đổi trong khoảng 200 – 360g/L). 88 Hình 4.18: Sự thay đổi mật độ tế bào nấm men trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 91 Hình 4.19: Sự thay đổi tốc độ sinh trưởng riêng của nấm men trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 9,8g/L). 92 Hình 4.20: Sự thay đổi tốc độ sinh trưởng riêng của nấm men trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate khi hàm lượng tannin ban đầu là 17,8g/L. 93 Hình 4.21: Sự thay đổi nồng độ chất khô trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 94 Hình 4.22: Sự thay đổi hàm lượng đường trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 95 Hình 4.23: Sự thay đổi tốc độ sử dụng đường trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 96 Hình 4.24: Sự thay đổi tốc độ sử dụng đường riêng trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 97 Hình 4.25: Ảnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến tốc độ sử dụng đường trung bình trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 99 Hình 4.26: Sự thay đổi hàm lượng nitơ amin tự do trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 100 Hình 4.27: Sự thay đổi hàm lượng nitơ ammonium trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 101 Hình 4.28: Sự thay đổi hàm lượng cồn trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 102 Hình 4.29: Sự thay đổi tốc độ sinh tổng hợp cồn trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate khi hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L. 103 Hình 4.30: Sự thay đổi tốc độ sinh tổng hợp cồn riêng trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 104 Hình 4.31: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến tốc độ sinh tổng hợp cồn trung bình trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 105 Hình 4.32: Aûnh hưởng của hàm lượng tannin ban đầu đến hiệu suất sinh tổng hợp cồn trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate. 106 Hình 4.33: Sự thay đổi pH trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 107 Hình 4.34: Sự thay đổi hàm lượng acid tổng trong quá trình lên men rượu vang sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 108 Hình 4.35: Sự thay đổi hàm lượng acid dễ bay hơi trong quá trình lên men rượu vang, sử dụng nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate (hàm lượng tannin ban đầu thay đổi trong khoảng 1,8 – 17,8g/L). 109 Danh mục một số thuật ngữ và chữ viết tắt ADH : enzyme alcohol dehydrogenase CD : Nấm men cố định DCM : Delignified Cellulosic Material DEAE-cellulose : diethylaminoethyl-cellulose EEFA : ethyl ester fatty acid FGB : freeze-dried gluten supported biocatalyst, là tế bào cố định sấy thăng hoa. Ffdc : free freeze-dried cells, là tế bào tự do sấy thăng hoa. NS : non-Saccharomyces, là những loài nấm men không thuộc giống Saccharomyces. TD : Nấm men tự do WGB : wet gluten supported biocatalyst, là tế bào cố định chưa qua sấy m : Tốc độ sinh trưởng riêng tức thời của tế bào, là tốc độ sinh trưởng tính trên một đơn vị tế bào tại một thời điểm nhất định. Đơn vị: h-1 mmax : Tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của tế bào, là tốc độ sinh trưởng riêng lớn nhất trong toàn bộ quá trình lên men. Đơn vị: h-1 gS : Tốc độ sử dụng đường tức thời của nấm men, là hàm lượng đường mà nấm men sử dụng trong một đơn vị thời gian. Đơn vị: g/L/h gSmax : Tốc độ sử dụng đường cực đại của nấm men, là tốc độ sử dụng đường lớn nhất trong toàn bộ quá trình lên men. Đơn vị: g/L/h gS : Tốc độ sử dụng đường riêng tức thời của nấm men, là tốc độ sử dụng đường tính trên một đơn vị tế bào tại một thời điểm nhất định. Đơn vị: g/h/1012 tế bào gSmax : Tốc độ sử dụng đường riêng cực đại của nấm men, là tốc độ sử dụng đường riêng lớn nhất trong toàn bộ quá trình lên men. Đơn vị: g/h/1012 tế bào t : Tổng thời gian lên men, được xác định từ độ lên men. Đơn vị: h KS : Tốc độ sử dụng đường trung bình, là hàm lượng đường trung bình được nấm men sử dụng trong một đơn vị thời gian lên men. Đơn vị: g/L/h gP : Tốc độ sinh tổng hợp cồn tức thời của nấm men, là hàm lượng cồn mà nấm men sinh tổng hợp được trong một đơn vị thời gian. Đơn vị: g/L/h gpmax : Tốc độ sinh tổng hợp cồn cực đại của nấm men, là tốc độ sinh tổng hợp cồn lớn nhất trong toàn bộ quá trình lên men. Đơn vị: g/L/h gP : Tốc độ sinh