Bài giảng Công nghệ sinh học thực phẩm: Chương 3 - GV. Nguyễn Quang
Trang 1CÔNG NGHỆ SINH HỌC
THỰC PHẨM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG NAI
Giảng viên: Nguyễn Quang
SĐT: 01689 034 127
Email: quang.nguyen.3487@gmail.com
Chương 3: Ứng dụng vi sinh vật trong công nghệ thực phẩm
3.1 Công nghệ sản xuất sinh khối tế bào 3.3 Tổng hợp acid amin
3.4 Tổng hợp enzym
Công nghệ sản xuất
sinh khối tế bào
Vi sinh vật đã tồn tại trên trái đất cách
đây 3,5 triệu năm
thước rất nhỏ bé nhưng chúng hấp thu
và chuyển hóa vật chất rất nhanh Bên
sinh khối tế bào
Phân lập, tuyển chọn, tạo khả năng thích
nghi, nâng cao chất lượng giống, bảo quản giống (genotype)
Tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến cơ
thể sống
Tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng trao
đổi chất trong quy mô công nghiệp (fenotype)
Bao gồm những phương pháp để thu
Điều khiểngenotype
Điều khiểnfenotype
Điều khiển kỹ thuật thu nhận, tinh chếsản phẩm
Nguyễn Quang
Trang 2Nguyên lý trao đổi chất
Môi trường nuôi cấy Biomass Sản phẩm bậc hai
Sản phẩm của quá trình lên men
Bản thân các tế bào vi sinh vật (sinhkhối) là các sản phẩm mong muốn
Các enzym do VSV tạo nên: amylase,protease, lipase…
Các dược phẩm: chất kháng sinh và cácalkanoid…
Nguyễn Quang
Nấm men: dùng làm nở bột mì, lên men
rượu…
Các vi khuẩn và vi tảo: được sử dụng
cho mục đích dinh dưỡng
Nguyễn Quang
Sản phẩm của quá trình lên men
Enzym thương mại được sản xuất ở quy
mô công nghiệp: amylase, protease,lipase…
Enzym công nghiệp gluco-isomease được
sử dụng với số lượng lớn để sản xuấtfructose (có độ ngọt cao hơn glucose)
Ngoài ra còn 1 vài enzym quan trọng nhưpenicillin-acilase được sử dụng trong sảnxuất penicillin tổng hợp
Đó là các hợp chất không được tạo thành
trong pha sinh trưởng đầu tiên mà vào lúc
sinh trưởng đã bước vào pha cân bằng
Việc hiểu biết về bản chất của sự trao đổi
chất bậc hai có tầm quan trọng trong việc
phát triển các quá trình sản xuất mới
Nguyễn Quang
Sản phẩm của quá trình lên men
Các hóa chất đặc biệt và các chất điều vịthực phẩm:
Chất điều vị thực phẩm: bột ngọt nhân tạo aspartarm là một dipeptid giữa acid aspartic và phenylalanin, cả hai amino acid này đều được sản xuất bằng con đường lên men vi sinh vật.
Các amino acid sản xuất bằng con đường này:
acid glutamic, lysine và tryptophan.
Một số vitamin cũng được sản xuất bằng con đường vi sinh vật, đó là riboflavin, vitamin B12 và acid ascorbic (vitamin C)
Nguyễn Quang
Sản phẩm của quá trình lên men
Trang 3Sản phẩm của quá trình lên men
Vật chất tế bào (sinh khối)
Các chất trao đổi bậc 1: amino acid,
nucleotide, vitamin, đường…
Các chất trao đổi bậc 2: chất kháng sinh,
alkanoid, gibberellin, Indole Acetic Acid
(IAA)…
Các loại enzym ngoại bào như protease,
amylase; Các enzym nội bào như
asparaginase, penicillinase
Nguyễn Quang
Sản phẩm của quá trình lên men
Sinh trưởng và tạo thành sản phẩm
Nguyễn Quang
Sinh tổng hợp thừa
Điều hòa hoạt tính enzym nhờ ức chế bằng
sản phẩm cuối cùng hay còn gọi là sự kìm
hãm do liên hệ ngược
Sự cảm ứng và ức chế quá trình tổng hợp
enzym
Điều hòa tổng hợp enzym nhờ sự kiềm chế
bằng sản phẩm cuối cùng và sự giải kiềm
Quyết định đến năng suất sinh học củanhà mày
Quyết định chất lượng sản phẩm sinh học
Quyết định vốn đầu tư cho sản xuất
Quyết định giá thành sản phẩm
Nguyễn Quang
Trang 4Yêu cầu giống VSV
mong muốn.
nguyên liệu rẻ tiền và dễ kiếm.
chất.
Nguyễn Quang
Yêu cầu giống VSV
Kỹ thuật tạo giống
Nâng cao chất lượng giống
VSV với điều kiện sản xuất công
nghiệp.
giống có chất lượng cao hơn.
Nguyễn Quang
Đột biến(bằng phương pháp vật lý, hóa học)
Nguyễn Quang
Trang 5Bảo quản giống VSV
đông khô
Phương pháp cấy truyền định kỳ
(trên môi trường mới)
Nấm mốc: cấy truyền sau 3 – 6 tháng
Nấm men – vi khuẩn: 1 – 2 tháng
môi trường Không ổn định.
Phương pháp giữ giống trên
môi trường thạch có lớp dầu khoáng
parafin…
Đơn giản, hiệu quả cao
Môi trường không bị mất nước
Vi sinh vật được bảo quản lâu hơn so với
phương pháp cấy truyền
Nguyễn Quang
Phương pháp giữ giống trên đất, cát
Cấy ria trên môi trường agar
Chọn các khuẩn lạc điển hình
Nguyễn Quang
Phương pháp giữ giống trên hạt
sợi, sinh bào tử hoặc không.
Trang 6Phương pháp đông khô
Làm cho tế bào mất nước theo phương pháp
thăng hoa ở áp suất thấp
Làm giảm hoặc làm ngừng hẳn quá trình
phân chia của VSV
VSV không bị biến đổi về các đặc tính di
truyền
Thời gian lưu giữ lâu lên tới vài chục năm
Được dùng nhiều trong sản xuất
fermentor 5 – 10 L)
(10.000 – 500.000 L)
Nguyễn Quang
Nuôi cấy lắc
kiện cho tế bào
Trang 7Hệ thống fermentor Quy mô công nghiệp
10.000 – 500.000 L tùy thuộc vào sản phẩm
Industrial Fermentation Setting
Nguyễn Quang
Công nghệ sản xuất sinh khối VSV
học
phospho, nitơ, kali và magie.
Nguyễn Quang
Công nghệ sản xuất nấm men bánh mì
Bột mì Nhào bột Định hình (4h) Nướng
Nấm menBột mì Nhân giống nấm men (6h) Trộn bột…
Nguyễn Quang
1/10
9/10
Trang 8Carbon hydrate
các loại nước trái cây, các loại đường
đơn, đường kép…
cellulose
Nguyễn Quang
Mật rỉ
Ưu điểm:
Chứa hàm lượng đường cao
Chứa nhiều chất hữu cơ, vô cơ, vitamin và chất kích thích sinh trưởng
Nguồn nitơ và phospho
đều, có khả năng phát triển mạnh và
chịu được nhiệt độ cao.
Trang 9Công nghệ sản xuất Protein đơn bào(Single Cell Protein - SCP)
Là nguồn dinh dưỡng chứa nhiều protein từVSV (vi khuẩn, nấm men, nấm sợi và tảo)
Hàm lượng protein cao
Chất lượng protein tương đương protein độngvật và cao hơn protein thực vật
VSV có khả năng hấp thu, phân giải nhiều loạinguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm
Có khả năng sản xuất theo quy mô công nghiệp
Protein đơn bào
Tảo đơn bào được sản xuất theo quy mô
công nghiệp có lợi ích kinh tế cao:
Chlorella
Spirulina
Scienedesmus
Tảo chứa protein có đầy đủ acid amin cân
đối, không chứa độc tố
Có khả năng chữa bệnh và chống lão hóa
Tốc độ sinh sản nhanh (gấp 15 lần so với
Quang hợp như cây xanh
Điều kiện sản xuất đơn giản: ánh sáng 3000– 10000 lux, CO2, muối vô cơ, pH kiềm yếu(9 - 10)
Kích thước tế bào lớn, dễ thu nhận
Thành tế bào mỏng, nhiều vitamin hơnchlorella
Trang 11Hệ thống nuôi dạng ống Câu hỏi ôn tập
sản xuất sinh khối tế bào?
lên men.
quản giống VSV.
Sản xuất acid amin
Phương pháp thủy phân protein động vật
Bằng con đường tổng hợp hóa học
Sinh tổng hợp (tổng hợp nhờ VSV)
Nguyễn Quang
Mục đích
Chữa bệnh thần kinh, gan, thận, tim…
Bổ sung vào thức ăn (các acid amin cầnthiết như Lysine, Methionin…)
Làm chất điều vị cho thực phẩm: natriglutamat…
Chất nền cơ bản cho thực phẩm tổng hợpnhư trứng cá nhân tạo, dăm bông…
Sử dụng trong chăn nuôi
Nguyễn Quang
Các VSV trong sản xuất acid amin
Nguyễn Quang
Chủng vi sinh vật sử dụng Các acid amin
Micrococcus var DL-alanin
Microbacterium amoniphilium DL-alanin, L-glutamic
Bacillus lactofermentum 487 L-valine, L-leucine
Micrococcus glutamicus L-acid glutamic, L-lysine
Brevibacterium flavum L-histidine, L-isoleucine, L-proline,
L-araginine, L-theonine, L-lysine, L-glutamic
Streptomyces coelicolor 3-19 L-alanin, L-glutamic
Nguyên tắc sản xuất
Yêu cầu:
Chủng dùng trong sản xuất thường là chủng đột biến, có khả năng tích lũy nhiều acid amin trong môi trường nhiều carbon hydrat và ít nitơ.
Nguyên tắc chung:
Thay đổi môi trường nuôi cấy bằng cách bổ sung thêm chất kháng sinh, các chất bề mặt và acid béo vào môi trường.
Ngoài ra có thể sản xuất acid amin từ các chất trung gian và tổng hợp như enzym.
Nguyễn Quang
Trang 12Cơ chế trao đổi amin
Các họ acid amin:
Họ α-ketoglutarat: glutamat, glutamin, prolin,
arginin.
Họ 3-phospho glycerat: serin, glycin, cystein.
Họ pyruvat: alanin, valin, leucin.
Họ oxaloacetat: aspartat, asparagin, methionin,
threonin, lysin, isoleusin.
Họ phosphoenol pyruvat: erythro-4-phosphat,
tryptophan, phenylalanin, tyrosin.
Họ ribose-5-phosphat: histidin.
Nguyễn Quang
Sinh tổng hợp các acid amin họ α-ketoglutarat
glutamic: Micrococus glutamicus,
Brevibacterium lactofermentus
Nguyễn Quang
Công nghệ sản xuất acid glutamic
Nguyễn Quang
Trang 13Quy trình sản xuất bột ngọt
Chuẩn bị dịch lên men
Trao đổi ion Tách α-glutamic Trung hòa
Bao gói
Lên men
Tinh chế Nguyên liệu
Bột ngọt
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất bột ngọt
Nguồn carbon
Nguồn nitơ
Các muối vô cơ khác
Chất điều hòa sinh trưởng
Các chất khác
Ảnh hưởng của pH
Ảnh hưởng của hệ thống gió và khuấy
Ảnh hưởng của việc cung cấp điện tử
Ảnh hưởng của thực khuẩn thể
Cơ chế sinh tổng hợp lysine
Quy trình sản xuất lysine
Nguyễn Quang
Thu dịch sau ly tâm
Nhả hấp phụ Trao đổi ion
Chuẩn bị dịch lên men
Ly tâm Lên men
Ly tâm
Đun nóng Làm lạnh Điều chỉnh pH
Nguyên liệu
Lysine
Sinh khối và tphần không tan
NH3HCl
Dung dịch NH 3
10-20 0 C
28-30 0 C pH=7.0-7.6 Hiếu khí
Tổng hợp enzym
Enzym là chất xúc tác sinh học có bản chất là
protein
Enzym có cường lực xúc tác mạnh và năng
lượng hoạt hóa thấp
Các chế phẩm enzym hầu hết được sản xuất
từ nguồn nguyên liệu rẻ tiền
Enzym có tính đặc hiệu cao: enzym kết hợp
với cơ chất đặc trưng để hình thành phức
hợp enzym - cơ chất sau đó sản phẩm mới
được hình thành
Nguyễn Quang
Cấu trúc của enzym
Apoenzym: phần protein
Cofactor: chất hữu cơ đặc hiệu gắn vớiapoenzym
Nguyễn Quang
Trang 14Các yếu tố ảnh hưởng
đến hoạt tính của enzym
pH
Nguyễn Quang
Danh pháp
Thông thường thêm đuôi –ase sau cơ chất
VD: ure urease, lactose lactase…
Theo kiểu phản ứng xúc tác
VD: thủy phân hydrolaseoxy hóa oxidase…
Một số loại enzym không theo quy luật trên
VD: bromelin trong dứa, papain trong đu đủ,ficin trong quả sung…
Nguyễn Quang
Ứng dụng
thực phẩm:chế biến bột, sản xuất kẹo, sản
xuất bánh mì, sản xuất nước quả, rượu vang,
chế biến thịt, sản xuất bia…
Công nghệ sản xuất enzym
Nguồn động vật: thu nhận enzym từ cácphế phụ liệu lò mổ: tụy tạng tripsin, dạ dàybê…
Nguồn thực vật: thu nhận amylase từ hạtđại mạch nảy mầm, papain, bromelin,ficin…
Nguồn VSV: từ rất nhiều loại VSV khácnhau
Nguyễn Quang
Ưu điểm của enzym VSV
cơ chất lớn.
Sấy Tinh chế
Enzym ngoại bào Phá vỡ tế bào
Lọc hoặc ly tâm
Vi sinh vật Nuôi cấy (lên men) Enzym nội bào
Cô đặc
Sản phẩm
Trang 15Phương pháp thu nhận enzym
Phương pháp cơ học tách enzym
trình tách vật chất rắn ra khỏi dung dịch Phương pháp lý tâm chỉ tách được thành phần rắn có tỷ trọng lớn hơn dung dịch.
tâm thu nhận enzym bằng máy ly tâm liên tục.
Một số kiểu máy ly tâm
(Centrifugation)
dụng phương pháp: lọc ép, lọc chân không, lọc theo dòng chảy cắt ngang, lọc thông thường…
Nguyễn Quang
Trang 16Nguyễn Quang
Lọc thông thường (conventional filter):
phương pháp này được sử dụng từ rất lâu Tuy nhiên có nhược điểm là thời gian lọc lâu.
Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãitrong quy mô công nghiệp
Huyền phù tế bào được nén với một áp suấtcao, chúng va chạm mạnh vào vành ống Tếbào bị phá vỡ bởi lực cắt và nén
Phương pháp này thường được áp dụngcho việc phá vỡ tế bào vi khuẩn Tế bàođộng vật và tế bào thực vật ít dùng phươngpháp này
Nguyễn Quang
Máy đồng hóa Manton Gaulin
Nguyễn Quang
Phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm
biến, đơn giản, sử dụng ở quy mô nhỏ.
cấu trúc của một số enzym và phá hủy enzym do oxy hóa các gốc tự do Việc
làm giảm sự mất hoạt tính enzym.
Nguyễn Quang
Trang 17Phương pháp nghiền ẩm
với hạt thủy tinh hoặc thép nhỏ thì tế
bào sẽ bị phá vỡ do lực cắt khi va
chạm với các hạt này.
nghiền tế bào với hạt thủy tinh bằng
cối chày sứ.
Phương pháp lạnh đông
lỗ hẹp của máy nén Hughes thì tế bào
Sản xuất acid hữu cơ
Acid acetic tan trong nước, cồn, eter,benzen, aceton và trong chloroform
Acid acetic rất bền với các chất oxy hóanhư acid chromic, permanganate
Chúng có khả năng hòa tan cellulose,các hợp chất tương tự cellulose, có khảnăng phân hủy da, gây bỏng da, ăn mònnhiều kim loại
Nguyễn Quang
Nguyên tắc chung
rượu thành acid acetic dưới tác dụng
của vi khuẩn.
phương pháp như chưng cất gỗ, tổng
hợp hóa học hay lên men.
Trang 18Quá trình oxy hóa
rượu thành acid acetic
Nguyễn Quang
Nguyên liệu
rượu ethanol Ngoài ra, có thể dùng dung dịch đường hay tinh bột đã qua đường hóa.
Thành phần dinh dưỡng: acid
acetic, đường, acid hữu cơ,
vitamin, muối vô cơ…
là acid acetic, ngoài ra còn có acid lactic, acid citric…
Điều tiết độ kiềm - acid dịch thể, duy trì tương
đối ổn định môi trường trong cơ thể
Giúp tiêu hóa, hấp thụ tốt
Diệt ký sinh trùng như giun đũa, giun kim
Kháng ung thư, làm đẹp da, làm tỉnh rượu…
Nguyễn Quang
Công nghệ sản xuất
Nguyễn Quang
Trang 19Tác nhân lên men
Vi khuẩn acetobacter là
tác nhân chính trong quá
trình lên men acetic
Đặc điểm:
Hình que (tùy điều kiện
nuôi cấy mà tế bào có thể
Không sinh bào tử
Hiếu khí bắt buộc
Chịu được độ acid cao
Tác nhân lên men
Có khả năng đồng hóa nhiều nguồn thức ăn
carbon khác nhau nhưng không sử dụng
Đặc điểm sinh trưởng
Phát triển tốt trên môi trường nước nha (malt),glucose, rượu etylic hay manitol
Hiếu khí bắt buộc, pH=5.4-5.8, t0C=25-300C
Oxy hóa etylic thành acid acetic ở pH=4.5
Oxy hóa acid acetic, lactate, chuyển glucosethành gluconate, oxy hóa không hoàn toàn cáchợp chất hữu cơ khác để tạo thành các hợpchất ketone hay các acid hữu cơ tương ứng
Nguyễn Quang
Đặc điểm sinh trưởng
cơ làm nguồn carbon, muối amon làm
nguồn nitơ.
acid nicotine, acid amin, folic và
biotin… có vai trò quan trọng trong
sinh trưởng của vi khuẩn acetic.
Nguyễn Quang
Yêu cầu về giống VSV
thỏa điều kiện:
Phải oxy hóa etylic tốt nhất
Tạo dấm có nồng độ acid acetic cao, chịuđược độ cồn và acid cao
Các điều kiện phân lập, nuôi cấy, bảoquản giống phải đơn giản, không tốnkém, phù hợp với điều kiện tại Việt Nam
Nguyễn Quang
Trang 20 Ảnh hưởng của oxy:
Oxy là một yếu tố quan trọng trong quá trình lên men dấm Càng thoáng khí năng suất càng cao.
Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Tùy theo từng loài mà nhiệt độ tối ưu khác nhau.
Nhiệt độ thích hợp cho acetobacter là 25-400 C.
Nhiệt độ tối ưu cho quá trình sản xuất là 35 0 C.
Ảnh hưởng của pH:
Chịu được độ acid cao.
Nguyễn Quang
Các yếu tố ảnh hưởng đến
quá trình lên men acid acetic
các nguyên tố vi lượng:
Cần bổ sung một số muối khoáng
(NH4)2SO4, KH2PO4, CaHPO4, FeCl3…
Cần bổ sung vitamin, chất kích thích sinh
trưởng như pepton, cao nấm men…
Cần bổ sung thêm acid lactic, glycerine,
muối đậu nành…
Nguyễn Quang
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men acid acetic
Ảnh hưởng của nồng độ ethanol:
Ethanol là cơ chất lên men acid acetic Tùy từng loại VSV mà chúng có thể tồn tại ở những nồng
độ rượu khác nhau, thường từ 11-13%.
Để tránh hiện tượng oxy hóa tiếp tục acid acetic thành CO2 và H2O cần có một lượng rượu sót trong sản phẩm, thường là 0.3-0.5%.
Ảnh hưởng của nồng độ acid acetic:
Acid acetic sinh ra nhiều sẽ gây ảnh hưởng ức chế đến hoạt động sinh lý của vi khuẩn acetic.
Trang 21Phương pháp lên men nhanh Phương pháp lên men chìm
acetic, được gọi là acetator:
Cho dung dịch lên men vào thiết bị vàtiến hành thổi khí rất mạnh thể huyềnphù và dung dịch lên men
Hai thể này luôn luôn được trộn lẫn vớinhau và khi đó quá trình oxy hóa xảy rarất mãnh liệt
Lớp giữa chỉ là một thùng chứa dung dịch
sau khi lên men ở phần trên chảy xuống
Dưới cùng là hệ thống thổi khí mạnh, khí
sẽ được thổi qua phần dung dịch này rồi
chuyển ngược lên phần trên
Nguyễn Quang
Quá trình biến đổi hóa học
men phải chú ý để lại lượng rượu sót khoảng 0.3-0.5%)
Nguyễn Quang
Phương pháp nâng cao nồng độ
acid acetic trong dịch lên men
Tuy nhiên, phương pháp này thường tiêu
hao nhiều năng lượng và hàm lương acid
acetic thường không cao
Nguyễn Quang
Phương pháp nâng cao nồng độ acid acetic trong dịch lên men
Phương pháp chưng cất bằng muối:
Sử dụng một cấu tử có khả năng phân ly mạnh làm thay đổi trạng thái cân bằng lỏng – hơi Trong chưng cất có sự tham gia của muối CaCl 2 hoặc
CH 3 COONa.
Ưu điểm:
Tốn ít năng lượng
Hiệu suất thu nhận acid acetic thường rất cao
Sản phẩm có độ tinh khiết cao