Nghiên cứu quá trình lên men sản xuất sinh khổi nấm từ dịch hèm

Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Nghiên cứu trình lên men sản xuất sinh khối nấm từ dịch hèm Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Vũ Nguyên Thành Sinh viên thực hiện: Trần Thuỳ Anh Lớp: 1701 Hà Nội, 2021 Trần Thùy Anh i K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Nghiên cứu trình lên men sản xuất sinh khối nấm từ dịch hèm Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Vũ Nguyên Thành Sinh viên thực hiện: Trần Thuỳ Anh Lớp: 1701 Hà Nội, 2021 Trần Thùy Anh ii K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học LỜI CẢM ƠN Trải qua thời gian dài học tập trường, đến lúc kiến thức em vận dụng vào thực tiễn công việc Em lựa chọn làm khóa luận tốt nghiệp để tổng hợp lại kiến thức Đề tài em là: “Nghiên cứu trình lên men sản xuất sinh khối nấm từ dịch hèm” Trong suốt q trình làm khóa luận, em nhận hướng dẫn, giúp đỡ quý báu thầy cô, anh chị bạn Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: PGS TS Vũ Nguyên Thành hướng dẫn truyền đạt kinh nghiệm quý báu cho em suốt thời gian làm khóa luận tốt nghiệp Em xin cảm ơn Viện Cơng nghiệp Thực phẩm cho em hội thực tập, làm việc nghiên cứu để đưa giải pháp, góp ý Nhân dịp em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô Khoa Công nghệ Sinh học Trường Đại học Mở Hà Nội truyền đạt cho em kiến thức bổ ích suốt khóa trình học tập, hành trang vững cho nghiệp tương lai em Em cảm ơn gia đình bạn bè giúp đỡ em hồn thành tốt khóa luận Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm để tài hạn chế kiến thức, tiểu luận chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Em xin lắng nghe tiếp thu ý kiến giáo viên phản biện để hoàn thiện, bổ sung kiến thức Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Trần Thùy Anh Trần Thùy Anh i K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi MỞ ĐẦU PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Lịch sử nấm sợi 1.2 Đặc điểm chung nấm sợi 1.2.1 Hình thái cấu trúc sợi nấm 1.2.2 Sinh sản nấm sợi 1.3 Lên men sinh khối nấm sợi 1.4 Các kỹ thuật lên men chìm 13 PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 2.1 Vật liệu 16 2.2 Hóa chất, thiết bị 16 2.3 Phương pháp nghiên cứu 17 2.4 Phương pháp phân tích 17 2.4.1 Quan sát hình thái hệ sợi sử dụng kính hiển vi 17 2.4.2 Phương pháp xác định khối lượng sinh khối 18 2.4.3 Phương pháp phân tích đường khử tổng DNS 18 2.4.4 Phương pháp xác định pH 20 2.4.5 Xác định nồng độ chất tan Brix 20 2.4.6 Nồng độ protein 20 2.4.7 Phương pháp lên men 22 PHẦN 3: KẾT QUẢ 26 3.1 So sánh sinh khối tế bào chủng nấm sợi môi trường hèm sắn lỏng 26 3.2 Đánh giá khả tạo pellet chủng môi trường hèm sắn lỏng 36 3.2.1 Thay đổi hình thái hệ sợi trình lên men 36 Trần Thùy Anh ii K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học 3.2.2 Thay đổi kích thước hệ sợi lên men 44 3.3 Đánh giá thay đổi thông số lên men quy mô thiết bị lên men sục khí 46 3.3.1 Thay đổi pH trình lên men 49 3.3.2 Nồng độ chất tan Brix 50 3.3.3 Nồng độ đường khử 50 3.3.4 Nồng độ oxy hòa tan 51 3.3.5 Nồng độ protein 51 3.4 Đánh giá thay đổi thông số lên men quy mô thiết bị lên men khuấy trộn 52 3.4.1 Thay đổi pH trình lên men 54 3.4.2 Nồng độ chất tan Bx 55 3.4.3 Nồng độ đường khử 55 3.4.4 Nồng độ oxy hòa tan 56 3.4.4 Nồng độ protein 57 3.5 So sánh lên men sục khí lên men khuấy trộn 57 KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 Trần Thùy Anh iii K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PDA DNS h Bx ĐC Trần Thùy Anh Môi trường thạch khoai tây Acid Dinitrosalicylic Giờ Nồng độ chất tan Brix Đối chứng iv K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học DANH MỤC BẢNG Bảng Các chủng nấm mốc sử dụng nghiên cứu 16 Bảng 2 Bảng xây dựng đường chuẩn đường khử 19 Bảng Bảng xây dựng đường chuẩn protein 21 Bảng Thể tích cấp giống chủng 23 Bảng Hình ảnh năm chủng lên men bình tam giác 100ml 26 Bảng Nồng độ đường khử theo thời gian chủng lên men bình tam giác 100ml 27 Bảng 3 pH theo thời gian chủng lên men bình tam giác 100ml 28 Bảng Nồng độ chất tan theo thời gian chủng lên men bình tam giác 100ml 28 Bảng Sinh khối khô thu sau sấy bình lên men 100ml 28 Bảng Sinh khối khô theo thời gian chủng lên men bình tam giác 100ml 28 Bảng Hình ảnh chủng lên men bình tam giác 250ml 30 Bảng Nồng độ đường khử chủng lên men bình tam giác 250ml 32 Bảng Độ pH chủng lên men bình tam giác 250ml 32 Bảng 10 Nồng độ chất tan chủng lên men bình tam giác 250ml 33 Bảng 11 Sinh khối khô thu sau sấy bình lên men 250ml 33 Bảng 12 Sinh khối khô chủng lên men bình tam giác 250ml 33 Bảng 13 Hình thái hệ sợi chủng 36 Bảng 14 Bảng hình ảnh chụp chủng thước đo theo thời gian 44 Bảng 15 Kích thước hệ sợi chủng 45 Bảng 16 Hình ảnh hệ sợi chủng lên men sục khí 47 Bảng 17 Độ pH trình lên men sục khí 49 Bảng 18 Nồng độ chất tan trình lên men sục khí 50 Bảng 19 Nồng độ đường khử trình lên men sục khí 50 Bảng 20 Nồng độ protein q trình lên men sục khí 51 Bảng 21 Hình ảnh hệ sợi chủng lên men khuấy trộn 53 Bảng 22 Độ pH trình lên men khuấy trộn 54 Bảng 23 Nồng độ chất tan Brix trinh lên men khuấy trộn 55 Bảng 24 Nồng độ đường khử trình lên men khuấy trộn 55 Bảng 25 Nồng độ protein trình lên men khuấy trộn 57 Bảng 26 So sánh lên men sục khí lên men khuấy trộn 57 Trần Thùy Anh v K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Cơng nghệ Sinh học DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Sơ đồ quy trình nghiên cứu 17 Hình 2 Đường chuẩn Protein – Lowry 21 Hình Hệ thống lên men sục khí 25 Hình Hệ thống lên men khuấy trộn 25 Hình Lên men bình tam giác 100mL 29 Hình Lên men bình tam giác 250mL 34 Hình 3 Bình lên men sục khí theo thời gian 47 Hình Kết thu lên men sục khí 49 Hình Độ pH trình lên men sục khí 49 Hình Nồng độ chất tan trình lên men sục khí 50 Hình Nồng độ đường khử trình lên men sục khí 51 Hình Nồng độ protein q trình lên men sục khí 52 Hình Thiết bị lên men khuấy trộn theo thời gian 53 Hình 10 Kết thu lên men khuấy trộn 54 Hình 11 Độ pH trình lên men khuấy trộn 55 Hình 12 Nồng độ chất tan Brix trình lên men khuấy trộn 55 Hình 13 Nồng độ đường khử trình lên men khuấy trộn 56 Hình 14 Nồng độ oxy hịa tan trình lên men khuấy trộn 56 Hình 15 Nồng độ protein trình lên men khuấy trộn 57 Hình 16 Chiều dịng chảy di chuyển lên men sục khí lên men khuấy trộn 58 Trần Thùy Anh vi K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học MỞ ĐẦU Hiện nay, với phát triển khoa học công nghệ, cơng nghệ sinh học có nghiên cứu ứng dụng ngày đa dạng nhiều lĩnh vực thực phẩm, y học, nông nghiệp, công nghệ môi trường,… Những sản phẩm ứng dụng công nghệ sinh học lĩnh vực kể đến như: thực phẩm, kháng sinh, enyme, chế phẩm sinh học, nhiên liệu sinh học, hợp chất có hoạt tính sinh học y dược Nấm sợi giới vi sinh vật đa đa dạng trên trái đất tìm thấy hầu hết nơi: đất, nước, khơng khí bên sinh vật khác Các ước tính gần cho thấy có tới 3,8 triệu lồi nấm khác nhau, có 120 000 lồi thức cơng nhận có 35 000 loài đặt tên [6] Chúng ta thường nghĩ nấm mốc sinh vật gây hại ẩm mốc nhà cửa, quần áo, thực phẩm gây nên vấn đề sức khoẻ thực tế nấm sợi ln đóng góp nhiều tác dụng tích cực cho sống, ví dụ tổng hợp kháng sinh, thuốc, sản xuất thực phẩm đồ uống, làm nước khử ô nhiễm đất,… Sinh khối nấm sợi vốn lợi dụng để làm thay đổi cấu trúc hương vị nguyên liệu số thực phẩm truyền thống tương, tempeh, phô mai chưa kể đến loài nấm mũ làm nguyên liệu thực phẩm Trong lĩnh vực công nghệ sinh học nay, xu hướng sản xuất sinh khối nấm sợi làm mycoprotein vật liêu Trong trình sản xuất ethanol cơng nghiệp sản sinh lượng dịch hèm thải (bã rượu) lớn từ trình lên men chưng cất với nồng độ chất hữu cao Thêm vào đó, nước vệ sinh, chất thải khác sản xuất góp phần làm tăng chất thải trình sản xuất Với lượng chất thải lớn vậy, không xử lý tốt gây hậu nghiêm trọng tới môi trường Thơng thường, sản phẩm bã hèm từ ngơ có giá trị dinh dưỡng cao thường sử dụng cho chăn ni, bã hèm từ sắn có giá trị dinh dưỡng thấp chứa nhiều chất xơ nên hiệu chăn nuôi không cao Để xử lý dịch hèm hiệu Trần Thùy Anh K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học hơn, giảm thiểu tác động tới môi trường, sử dụng nấm sợi phát triển dịch hèm làm giảm chất hữu thu sinh khối hệ sợi hướng có tiềm ứng dụng nâng cao giá trị dịch hèm Trong trình sản xuất sinh khối nấm sợi, trình lên men diễn phức tạp so với lên men vi khuẩn nấm men diễn thay đổi kích thước hệ sợi Nghiên cứu khảo sát thông số thay đổi thành phần dinh dưỡng biến đổi đặc tính canh trường lên men giúp hiểu trình lên men nhằm mục tiêu điều khiển tối ưu q trình lên men Trong nghiên cứu này, chúng tơi tập trung vào nội dung “Nghiên cứu trình lên men sản xuất sinh khối nấm từ dịch hèm” nhằm mục tiêu ứng dụng lên men sinh khối nấm sợi từ dịch hèm thải nhà máy Mục tiêu nghiên cứu nhằm tìm hiểu khảo sát thông số biến đổi canh trường lên men bao gồm thơng số pH, nồng độ đường khử, oxy hòa tan… nhằm thu sinh khối tối đa q trình lên men Nội dung nghiên cứu bao gồm: - So sánh sinh khối tế bào chủng nấm sợi môi trường hèm sắn lỏng - Đánh giá thay đổi thông số pH, Bx chủng môi trường hèm sắn lỏng - Lên men thử nghiệm quy mô thiết bị phịng thí nghiệm theo dõi động học Trần Thùy Anh K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học 18h30 24h 27 h 15 43h15 48h 66h22 72h 96h Kết cho thấy, sau 18h 30 chủng LPH 084 bắt đầu phát triển Sau 27 tiếng chủng nấm bắt đầu vón cục với nhìn rõ 48 tiếng Kích thước hạt phát triển nhanh chóng theo thời gian Sau lên men đủ 96h, thu dịch nuôi sinh khối vải lọc Vệ sinh thiết bị lên men theo trình tự Sinh khối ướt sau thu đo hàm ẩm mang sấy khô nhiệt độ 55°C ngày Kết thu 56.78g Trần Thùy Anh 48 K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học sinh khối ướt hàm ẩm 86.1% Sau sấy sinh khối khô tổng thu 10,32g với hàm ẩm 13.3% (khối lượng khơ ~8.9g) Hình Kết thu lên men sục khí 3.3.1 Thay đổi pH trình lên men Thiết bị lên men lấy 10ml mẫu theo để đo pH, xác định nồng độ chất tan Brix, nồng độ đường khử nồng độ protein Bảng 17 Độ pH trình lên men sục khí 0h 3h35 18h30 24h 27h15 43h15 48h 66h23 72h 96h 4.5 4.7 4.9 4.9 4.2 5 5.3 5.3 4.3 pH pH 0 24 48 Thời gian(h) 72 96 Hình Độ pH trình lên men sục khí Trần Thùy Anh 49 K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học 3.3.2 Nồng độ chất tan Brix Bảng 18 Nồng độ chất tan q trình lên men sục khí 0h 3h35 18h30 24h 27h15 43h15 48h 66h23 72h 96h 4.11 4.08 4.11 4.14 4.35 4.14 4.21 4.08 4.01 4.14 Nồng độ chất tan Brix Bx % 0 20 40 60 Thời gian (h) 80 100 Hình Nồng độ chất tan trình lên men sục khí 3.3.3 Nồng độ đường khử Bảng 19 Nồng độ đường khử trình lên men sục khí 0h 3h35 18h30 24h 27h15 43h15 48h 66h23 72h 96h 7.82 8.67 8.66 6.41 4.68 Trần Thùy Anh 11.70 9.30 8.90 50 7.43 5.45 K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học Nồng độ đường khử 14 12 g/l 10 0 20 40 60 Thời gian (h) 80 100 Hình Nồng độ đường khử trình lên men sục khí 3.3.4 Nồng độ oxy hịa tan Thơng số nồng độ oxy hịa tan lấy từ máy tính điều khiển q trình lên men Thông số biểu qua đồ thị đây: Nồng độ oxy hòa tan dO2 100 Nồng độ oxy hoà tan dO2 (mg/l) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 -6 12 18 24 30 36 42 48 54 Thời gian (h) 60 66 72 78 84 90 96 Đồ thị Nồng độ oxy hịa tan q trình lên men sục khí 3.3.5 Nồng độ protein Bảng 20 Nồng độ protein q trình lên men sục khí Trần Thùy Anh 51 K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội 0h 3h35 18h30 24h 35.52 35.52 39.29 Khoa Công nghệ Sinh học 27h15 43h15 48h 38.03 37.62 44.73 66h23 72h 45.7 43.82 96h 41.66 43.26 Nồng độ protein (mg/ml) 50 mg/ml 40 30 20 10 0 20 40 60 Thời gian (h) 80 100 Hình Nồng độ protein q trình lên men sục khí 3.4 Đánh giá thay đổi thông số lên men quy mô thiết bị lên men khuấy trộn Lên men chủng LPH 084 thiết bị lên men khuấy trộn nhiệt độ 45°C, pH 6, sục khí 3-5lpm Thêm 1,5L dịch hèm sắn Chụp ảnh thiết bị lên men ngày Ngày Trần Thùy Anh Ngày Ngày 52 K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Cơng nghệ Sinh học Ngày Ngày Hình Thiết bị lên men khuấy trộn theo thời gian Từ hình ảnh cho thấy từ ngày chủng LPH 084 phát triển nhanh chóng Sinh khối bắt dầu tạo hệ sợi vón cục vào Đến ngày hạt vón cục thành mảng lớn bám vào cánh khuấy Bảng 21 Hình ảnh hệ sợi chủng lên men khuấy trộn Cấp giống 0h 5h11 21h 24h 47h15 72h 96h Trần Thùy Anh 53 K24-CNSH Trường Đại học Mở Hà Nội Khoa Công nghệ Sinh học Từ bảng cho thấy sinh khối phát triển 21h vón cục sau 72h Kết sau lên men thu 35,42g sinh khối ướt với hàm ẩm 79,65% Sau sấy đến khối lượng không đổi, sinh khối khơ 5.79g hàm ẩm