Công nghệ sản xuất Vitamin B2 (Riboflavin)

Công nghệ sản xuất Vitamin B2 (Riboflavin) tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất c...

Trường ĐH Tôn Đức Thắng

Khoa KHƯD

Công nghệ sản xuất

Vitamin B2 (Riboflavin)

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 01/11/2009

RIBOFLAVIN (VITAMIN B2)

I.Giới thiệu chung:

1 Vitamin B2

Vitamin B2 còn có tên là vitamin G .Lactoflavin Tên chung quốc tế là Riboflavin Là loại vitamin tan trong nước thuộc nhóm B (B1, B2, B3, B5, B6, B9, B12)

Trong thiên nhiên, vitamin B2 có

trong tất cả các tế bào sống Các loại

thực phẩm ta dùng hằng ngày như:

ngũ cốc, rau xanh, đậu các loại, thịt,

trứng, sữa, tim, thận, gan, lách

đều có vitamin B2 (tỷ lệ mất vitamin

B2 khi chế biến thức ăn khoảng 15

-20%) Hàm lượng vitamin B2 trong

động vật cao hơn thực vật Vitamin

B2 được hấp thụ chủ yếu ở tá tràng

Khi vào cơ thể nó biến đổi thành hai

coenzym: FAD (flavin adenin

dinucleotid) và FMN (flavin

mononucleotid) cần cho sự hô hấp

của mô Coenzym FMN cần cho hệ

thống vận chuyển điện tử trong cơ

thể Một lượng nhỏ vitamin B2 được

tồn trữ ở tim, gan, thận, lách dưới

dạng coenzym Vitamin B2 thải trừ

chủ yếu theo nước tiểu (làm cho nước

tiểu có màu vàng) một phần nhỏ thải

trừ theo phân

Vitamin B2 được tổng hợp bởi các tế bào thực vật và vi sinh vật Các động vật

có sừng không cần tới riboflavin, vì ở ruột của chúng có các vi sinh vật tổng hợp được riboflavin và cung cấp cho động vật chủ Để sản xuất riboflavin từ các nguyên liệu thiên nhiên có thể dựa vào khả năng sinh tổng hợp riboflavin bởi các vi sinh vật

như các loại nấm mốc Eremothecium ashbyii Khi tạo các điều kiện nuôi cấy thích

hợp, các vi sinh vật này sẽ tổng hợp và tiết vào môi trường một lượng riboflavin khá cao (1.8 mg riboflavin/1 ml) Từ các môi trường nuôi cấy đó có thể tiến hành kết tinh riboflavin Riboflavin dễ bị phân giải khi đun sôi và để ngoài ánh sáng Trong trường hợp đem chiếu sáng và giữ riboflavin ở môi trường kiềm nó sẽ chuyển thành lumiflavin còn trong môi trường trung tính hoặc acid yếu sẽ thu được dẫn xuất lumicrom

Trong quá trình bảo quản gạo hoặc các loại hạt khác, người ta nhận thấy rằng ngược với vitamin B1, vitamin B2 có xu hướng tăng lên rõ rệt nhất là khi bảo quản

ở dạng bao cói, bao tải, bao PP, nghĩa là có sự thâm nhập dễ dàng của oxy không khí Ví dụ, sau 6 tháng bảo quản ở lọ nâu đậy kín, lượng vitamin B2 ở gạo có thể tăng tới 53% còn hàm lượng vitamin B1 giảm đi 1% Nếu giữ trong bao cói, bao tải thì cũng thời gian đó, hàm lượng vitamin B1 giảm mất 40%, còn hàm lượng viatmin

Thực phẩm giàu vitamin B2

B2 lại tăng tới 95% Đối với các loại hạt khác cũng nhận thấy sự tăng vitamin B2 trong quá trình bảo quản, nhưng không thật rõ rệt như đối với trường hợp của gạo Trong khi cô đặc sữa nếu không thêm đường thì hàm lượng vitamin B2 hầu như không đổi, tuy nhiên Kazuya cho biết nếu cô đặc có đường sẽ làm giảm mất một lượng dưới 10% Đối với trứng gà, vitamin B2 ở lòng trắng không biến đổi khi bảo quản, còn ở lòng đỏ, có lẽ do nó tồn tại ở dạng tự do nhiều hơn nên vitamin B2 dễ

bị biến đổi hơn Vitamin B2 có nhiều ở thịt, đặc biệt là ở gan Tùy thuộc vào điều kiện làm lạnh thịt khi bảo quản và xử lý, sự mất vitamin B2 có thể thay đổi ít nhiều, nhưng nhìn chung tổn thất không đáng kể Khi chế biến thịt bằng cách quay hoặc rán thông thường giữ được vitamin B2 nhiều hơn so với khi luộc thịt Cũng có những dẫn liệu cho biết rằng vitamin B2 có nhiều ở thịt nấu chín hơn so với thịt còn sống Điều đó có thể là do vitamin B2 tồn tại ở các dạng khác nhau: dạng tự do hoạt động

và dạng liên kết không hoạt động Nhiệt độ làm phân ly các phức hợp của vitamin B2 và giải phóng nó ra ở dạng tự do có thể định lượng được So sánh về tính nhạy cảm đối với nhiệt độ thì người ta nhận thấy vitamin B2 bền hơn so với vitamin B1 Nhu cầu vitamin B2 mỗi ngày cho cơ thể: tuỳ thuộc giới tính, lứa tuổi Ví dụ: Trẻ sơ sinh đến 6 tháng tuổi: 0,4mg; 6 - 12 tháng: 0,5mg; 4- 6 tuổi: 1,1mg;

15-18 tuổi: 1,8mg Sau tuổi đó lại thấp dần; từ 51 tuổi trở đi chỉ cần 1,2mg/ngày

Trong cơ thể, vitamin B2 có nhiều vai trò quan trọng: là thành phần quan trọng của các men oxydase; trực tiếp tham gia vào các phản ứng ôxy hoá hoàn nguyên; khống chế các phản ứng hô hấp chuyển hoá của tế bào; chuyển hoá các chất: đường, đạm, béo ra năng lượng để cung cấp cho các tế bào hoạt động; tác động đến việc hấp thu, tồn trữ và sử dụng sắt trong cơ thể (rất quan trọng trong việc phòng chống thiếu máu do thiếu sắt)

Chưa thấy có tác dụng phụ với người dùng vitamin B2 Người ta đã thử nghiệm cho dùng liên tục vitamin B2 trong 10 tháng với liều 120mg/ngày mà chưa thấy tác dụng phụ nào đáng kể

Vitamin B2 dùng trong các trường hợp thiếu vitamin B2, gây tổn thương ở da, niêm mạc, cơ quan thị giác

2 Dấu hiệu cho biết cơ thể thiếu vitamin B2:

• Ở mắt: Ngứa, rát bỏng, sợ ánh sáng, chảy nước mắt Viêm bờ mi hoặc loét

mi Sung huyết mắt Viêm kết mạc kết tụ quanh rìa Viêm giác mạc chấm nông hoặc viêm kết, giác mạc bong Dẫn đến hoại tử và loét sâu (không do

vi khuẩn ),quáng gà, đục nhân mắt Đáy mắt đôi khi có phù gai thị, chảy máu võng mạc

• Toàn thân: Mệt mỏi, giảm khả năng làm việc Vết thương lâu lành; thiếu

máu; rối loạn chức năng ruột, ăn không tiêu; viêm ruột kết mạn tính; suy gan, viêm gan cấp; phát ban, ngứa toàn thân và bong vảy; viêm mép (nứt, loét); viêm lưỡi (có màu tím hoặc đỏ, lưỡi hình bản đồ); phù ở niêm mạc môi hoặc teo niêm mạc môi; viêm da tăng tiết bã nhờn (ở mặt, bìu, âm hộ); trẻ con chậm lớn

3 Cấu trúc hóa học:

Vitamin B2 lần đầu được Kulm chiết tách từ trứng vào năm 1933 Lúc đầu ông đặt tên là ovoflavin Sau đó các nhà khoa học Booher, Ellinger, Koschara tách được riboflavin từ casein Vitamin còn có một số tên khác như lactoflavin Lactoflavin

được chiết tách từ sữa, chất này có màu vàng và phát huỳnh quang xanh Ngoài ra người ta còn tách được các loại chất tương tự lactoflavin ở các đối tượng khác như gan, nấm men,… các chất này có tác dụng rất tốt đối với sinh trưởng của chuột Tới năm 1935 Karrer và các cộng tác viên đã tổng hợp được hàng loạt các dẫn xuất của lactoflavin và chứng minh rằng dẫn xuất có cấu tạo là 6,7 – dimetyl – 9 – izoloxazin tương ứng đúng với lactoflavin tách được từ các nguyên liệu thiên nhiên Vì trong cấu tạo của vitamin B2 có hợp chất riboza nên sau đó người ta gọi là riboflavin Ngày nay người ta không còn dùng tên lactoflavin nữa

Công thức hóa học của riboflavin là C17H20N4O16 Trong cấu trúc hóa học của riboflavin, người ta thấy có ba nhãn izoaloxazine và 1 đường ribose Cấu trúc hóa học của riboflavin như sau:

Riboflavin có mã số CSA là 83-88-5, phân tử lượng là 376 Đó là các tinh thể nhỏ, hình kim, màu vàng, vị đắng, hòa tan tốt trong nước và rượu, không hòa tan trong các dung môi của chất béo Tinh thể khô bền với nhiệt độ và dung dịch acid, điểm nóng chảy của riboflavin là 2920C

Vitamin B2 thuộc nhóm vitamin hòa tan trong nước - Vitamin B2 hiện diện trong những tế bào và thường ở dạng dinucleotide hoặc dạng phốt pho ester, và có thể liên kết với chất protein Vì tính hòa tan trong nước thấp cuả vitamin B2 nên dạng Natri riboflavin-5’-phosphate trở thành dạng quan trọng trong nhóm vitamin B2.

II Phương pháp sản xuất vitamin B2:

1.Vi sinh vật trong sản xuất vitamin B2:

Các nhà sản xuất từng sử dụng nhiều chủng vi sinh vật khác nhau cho quá trình lên men Hiện nay, chủng vi khuẩn bacillus subtilis, các loài nấm eremothecium ashybyii và ashbya gossypii, nấm men candida flareri và saccharomyces cerevisiae được sử dụng cho quá trình lên men vitamin B2

a) E ashbypii:

E ashbypii tạo khuẩn y phân nhánh, kích thước của khuẩn ty 2-4 x 60-80 µm

Khi còn non, khuẩn ty có màu trắng, về già khuẩn ty chuyển sang màu vàng, khi chết màu vàng được thoát vào môi trường

E ashbypii có khả năng đồng hóa glucose, saccharose, levulose, manose

E ashbypii có thể đồng hóa nguồn nitơ hữu cơ và nguồn nitơ vô cơ, trong đó nguồn nitơ từ cazlin và globulin có ý nghĩa rất lớn cho sự phát triển của chúng Các nhà khoa học thấy rằng glyxin có ảnh hưởng rất lớn đến sinh lý của chúng Do đó, trong sản xuất người ta thường bổ sung glyxin vào trong môi trường lên men

E ashbypii phát triển mạnh và tổng hợp nhiều vitamin B2 nếu bổ sung các chất kích thích sinh trưởng như tiamin, biotin, inozit

Trong trường hợp môi trường thiếu nguồn carbon từ hydratcarbon, chúng có thể đồng hóa lipid để phát triển Người ta thường bổ sung 0.6 – 1.2% dầu ngô trong quá trình lên men Việc này tạo hiệu quả tổng hợp vitamin rất rõ

b) Ashbya gossypii:

Ashbya gossypii cũng thuộc loại nấm tạo khuẩn ty phân nhánh giống E ashbypii

Ashbya gossypii có khả năng tạo bào tử Số lượng bào tử khoảng 4 – 32 Bào

tử hình thoi, một đầu rất dài Bào tử của chúng trông giống vi khuẩn Clostridium

2 Nguyên liệu tổng hợp vitamin B2:

Các nhà sản xuất sử dụng những nguyên liệu cơ bản khác nhau Dầu thực vật, glucose, mật rỉ đường có thể đóng vai trò là nguồn carbon ( yếu tố quan trọng để sản xuất vitamin B2)

3 Cơ chế sinh tổng hợp vitamin B2:

Sinh tổng hợp vitamin B2 được bắt đầu từ guaninucleotid (có thể là GTP) Cơ chế này vẫn còn nhiều vấn đề chưa thật sáng tỏ, ví dụ như quá trình điều hòa, quá trình tổng hợp riboflavin…

Quá trình sinh tổng hợp riboflavin có sự tham gia của 4 loại enzyme quan trọng:

• GHT – cyclohydrolase II

• Aminohydrolase

• Lumazin syntetase

• Riboflavin syntetase

4 Phương pháp tổng hợp vitamin B2:

Một số phương pháp tổng hợp hóa học đã được thương mại hóa Hiện nay, các nhà sản xuất bao gồm Takeda và Shanghai Yongxing đã sử dụng phương pháp kết hợp lên men và hóa học Trong phương pháp này, chuỗi phản ứng 4 bước được sử dụng, bắt đầu từ glucose Đầu tiên, ribose được sản xuất từ glucose bằng sự lên men Tiếp theo là một phản ứng với xylidine làm ribose chuyển thành 1 riboside, riboside sau đó bị hydro hóa để sản xuất ribamine Sản phẩm trung gian này sau

đó được làm sạch bằng sự kết tinh

Ribose

Ribamine

Phenylazoribityl-amine

Raw riboflavin

Riboflavin (about

96% pure)

Xylidine

Aniline

Barbituric acid

Fermentation

Fermentation/chemical process

Riboflavin (about 80% pure)

Riboflavin (in fermentation broth)

Glucose, molasses or soya bean oil

Fermentation

Fermentation process

Giai đoạn sau bao gồm phản ứng giữa ribamine và một muối phenyl diazonium dẫn xuất từ aniline để tạo ra phenylazoribitylamine Hợp chất này sau đó được kết tinh, sấy khô chuyển thành vitamin B2 bởi cyclocondensation với acid barbituric Năng suất của toàn bộ quá trình có thể đạt hơn 60%

Một vài giai đoạn của phương pháp này có sử dụng những chất độc hại Các chất thải đó cần phải được kiểm soát nghiêm ngặt về mặt môi trường và cần có những biện pháp xử lý đặc biệt

Tổng hợp bằng hóa chất tạo ra vitamin B2 tinh khiết đến 96%

5 Quy trình tổng hợp vitamin B2:

6 Fermentation (lên men)

Phương pháp lên men đơn thuần gần đây được sử dụng bởi 1 số nhà sản xuất như BASF, Roche, Hubei Guangji Phương pháp này chỉ có 1 quá trình chính, tiết kiệm chi phí hơn so với phương pháp hóa học nhiều giai đoạn Mỗi nhà sản xuất sử dụng phương pháp riêng của mình với những chủng vi sinh vật khác nhau và nguyên liệu khác nhau

Những thiết bị lên men tương đối đơn giản, kết hợp việc khuấy và trộn cùng với công nghệ lọc truyền thống Sau khi tách sinh khối và sấy khô, sản phẩm thu được

là vitamin B2 có độ tinh khiết là 80%

Môi trường dùng trong sản xuất riboflavin có thành phần như sau:

Dịch thủy phân protein 3%

Giống được nhân ở 1 phân xưởng riêng Lượng giống ban đầu đưa vào là 1 – 1.5% Nhiệt độ lên men là 28 – 300C

Điều kiện thổi khí liên tục

Thời gian lên men 7 ngày

Nếu bổ sung thêm chất béo, năng suất thu nhận riboflavin sẽ rất cao

Trong sản xuất riboflavin, người ta thường áp dụng phương pháp lên men chìm Riboflavin được tổng hợp trong tế bào nấm và được thoát ra ngoài môi trường nuôi cấy Tuy nhiên không phải toàn bộ riboflavin thoát được ra môi trường, trong tế bào còn khá nhiều riboflavin…

Tỷ lệ riboflavin nội bào và ngoại bào phụ thuộc rất nhiều ở khả năng sinh trưởng của giống mà ta đưa vào sản xuất

Sự thay đổi pH trong quá trình lên men khá phức tạp: hai ngày đầu pH giảm rõ rệt, sau ngày thứ 2 pH tăng nhanh cùng sự tạo thành riboflavin

Khi tiến hành thổi khí sẽ tạo ra nhiều bọt Người ta thường dùng 0.2% dầu đậu nành để phá bọt

Dịch làm men được tiến hành cô chân không và sấy thành phẩm bằng thiết bị sấy hình trống Sản phẩm sau sấy có độ ẩm <8%

Các dạng chế phẩm vitamin B2

7 Kết luận:

• Giảm 95% tác động của chất thải ra môi trường

• Tiết kiệm hơn 60% chi phí sản xuất

• Sản phẩm mang tính tự nhiên

III Bảo quản:

Bảo quản ở nhiệt độ phòng, tránh ánh sáng Dạng khô không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng lan tỏa, nhưng dạng dung dịch thì bị ánh sáng làm hỏng rất nhanh