SẢN XUẤT GLUTAMATE(MÌ CHÍNH) Monosodium-glutamate(MSG) còn gọi là bột ngọt, mì chính: là muối natri của acid glutamic. I. Khái quát về mì chính. 1) Khái niệm Mì chính(monosodium-glutamate) là muối mono natri của axit L- glutamic( còn gọi làglutamate natri), thường gặp dưới dạng bột hoặc tinh thể màu trắng ngậm một phân tử nước, là chất điều vị có giá trị dinh dưỡng trong công nghiệp thực phẩm, trong nấu nướng thức ăn hàng ngày(đặc biệt là ở các nước phương đông). 2) Vai trò của mì chính Khi trung hoà, axit glutamic chuyển thành glutamate natri(mì chính), kết tinh có vị ngọt dịu trong nước, gần giống với vị của thịt. Glutamate natri có ý nghĩa lớn đối với đời sống con người, nó được sử dụng nhiều ở các nước Trung Quốc, Nhật Bản, Việt Nam … Các nước châu âu chủ yếu dùng mì chính để thay thế một phần thịt cho vào các hỗn hợp thực phẩm, súp, rượu, bia và các sản phẩm khác. Mì chính là chất điều vị trong chế biến thực phẩm, làm gia vị cho các món ăn, cháo, mì ăn liền, thịt nhân tạo, các loại thịt cá đóng hộp …nhờ đó sản phẩm hấp dẫn hơn. Glutamat đóng vai trò quan trọng trong cơ chế chuyển hoá chất bổ dưỡng trong cơ thể con người. Cơ thể mỗi người có khoảng 2kg glutamat được tìm thấy trong các cơ bắp, não, thận, gan và các cơ quan khác. Lượng glutamate tự do có trong cơ thể người là 10g, trong đó: Cơ bắp: 6g Não: 2,3g Gan: 0,7g Thận: 0,7g Máu: 0,04g II. Tính chất của mì chính. 1) Tính chất vật lí Mì chính là loại bột trắng hoặc tinh thể kim óng ánh, kích thướt tuỳ theo điều kiện khống chế khi kết tinh. Mì chính thuần độ khoảng 99%, tinh thể hình khối 1-2 mm màu trong suốt, dễ tan trong nước, không tan trong cồn, thơm ngon, kích thích vị giác. Nhiệt độ nóng chảy 195 o C. Tan nhiều trong nước, nhiệt độ tăng độ hoà tan tăng. VD: Ở 25 o C độ hoà tan là 74g/100ml nước; 60 o C độ hoà tan là 112g/100ml nước; Dung dịch 10% MSG trong suốt, không màu, giá trị pH khoảng 6,7-7,2. 2) Tính chất hoá học Công thức hoá học: C 5 H 8 NO 4 Na Công thức cấu tạo: Công thức hoàn chỉnh: C 5 H 8 NO 4 Na.H 2 O Phản ứng mất nước. Khi nhiệt độ lớn hơn 80 o C Glutamat natri bị mất nước: Phản ứng phân huỷ ở nhiệt độ cao. Nung glutamate natri trong chén sứ ở nhiệt độ cao > 350 o C: Ở nhiệt độ cao trên dưới 100 o C, axit glutamic trong dung dịch nguyên chất bị mất nước và chuyển thành axit hydroglutamic. Sự mất mát axit glutamic trong dung dịch nguyên chất khi đun nóng là rất nhanh: sau 8 giờ đun sôi axit glutamic bị mất đến 50%. Tác dụng của pH. Thời gian đun nóng (giờ) Sự mất mát axit glutamic(%) ở các độ pH khác nhau pH=4,5 pH=6 pH= 7,5 1 8,7 6,1 5,12 2 10,1 9,0 6,8 3 12,3 12,1 8,4 4 18,4 15,6 10,3 5 24,1 19,0 12,7 pH có ảnh hưởng rất lớn đến sự phân huỷ axit glutamic. Ở pH= 4,5 axit glutamic tổn hao nhiều nhất: sau 1 giờ là 8,75%; sau 5 giờ tăng lên 24,1%. Trong khi đó nếu môi trường là trung tính hay các điểm lân cận(pH= 6,5-7) thì sự mất mát giảm được rất nhiều. Tác dụng của các yếu tố khác. Sự biến đổi của axit glutamic trong quá trình chế biến còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như: chịu ảnh hưởng của các axit amin khác, các sản phẩm phân huỷ của đường, các hợp chất có 2 nhóm cacbonyl,… Các nhân tố ảnh hưởng chủ yếu dẫn đến sự biến đổi axit glutamic là nồng độ, nhiệt độ, pH, sự chiếu sáng các hợp chất hữu cơ, các peroxit và các ion kim loại. Các phản ứng thường xảy ra là: sự khử cacboxyl, sự khử amin, sự oxy hoá, sự mất nước, phản ứng ngưng tụ ở nhóm amin và các phản ứng trùng hợp hình thành nên các hợp chất cao phân tử. III. Lịch sử và tình hình sản xuất mì chính. 1) Lịch sử mì chính. Lịch sử mì chính có thể cắm mốc đầu tiên là ngày chàng thanh niên ở Tokyo có tên là Ikeda tốt nghiệp cử nhân hoá học năm 1889 tại viện đại học Tokyo. Sau khi tốt nghiệp Ikeda sang Đức tu nghiệp, anh tham gia nghiên cứu hoá học protein. Tại đây anh đã học được cách nhận biết và tách từng acid amin riêng rẽ. Trở về Nhật Bản ông làm việc tại viện đại học hoàng gia. Trong bữa ăn gia đình, vợ ông khi chế biến thức ăn đã cho loại rong biển mà các đầu bếp Nhật Bản hay dùng. Quả nhiên vị của thức ăn trở nên ngọt hơn, có vị thịt hấp dẫn. Tại phòng thí nghiệm của mình, Kikunae Ikeda đã nghiên cứu và tách được acid glutamic từ rong biển Laminaria Japonica rồi chuyển thành Natri glutamate. 2) Tình hình sản xuất mì chính trên thế giới và Việt Nam. Ngày nay sản phẩm mì chính đã được sản xuất hoàn toàn theo phương pháp lên men trên khắp thế giới. a) Tình hình sản xuất mì chính trên thế giới Các nước sản xuất mì chính với sản lượng lớn nhất thế giới: Nhật, Mỹ, Đài loan, Trung Quốc, Indonexia,… Sản lượng mì chính của các trên thế giới trong năm 1989 như sau(tấn): Đài Loan 146000, Nhật 106000, Trung Quốc 90000, Hàn Quốc 63000, Indonexia 44000, Pháp 40000, Ba Tư 33000, Italia 14300,… Việc sử dụng mì chính ở một số quốc gia hành đầu về công nghiệp mì chính: Nước Xuất khẩu(%) Tạo hương(%) Công nghiệp thực phẩm(%) Nhật 30,3 32,5 37,2 Mỹ 14 38,0 48,0 Đài Loan 68,4 26,9 4,7 b) Tình hình sản xuất mì chính ở Việt Nam Ở Việt Nam trước đây cũng đã có những công trình nghiên cứu để chủ động nắm vững kỹ thuật sản xuất mì chính, nhưng lực lượng nghiên cứu còn nhỏ, vốn liếng thiếu, kỹ thuật thô sơ nên kết quả thu được có hạn. Tuy vậy các nhà khoa học cũng đã có một số công trình có ý nghĩa. Vd: Trong năm 1968 và 1970, Lê Văn Nhương và cộng sự đã thu thập được nhiều chủng vi sinh vật có khả năng sinh lizin và L-AG từ nước và đất vùng Hà Tây và Hà Nội, đây là nguồn Gen thiên nhiên quý của Việt Nam. Năm 1972, Lương Đức Phẩm đạt được hiệu suất lên men 30-35g/lit L-AG khi dùng vi khuẩn Brevibacterium Flavum lên men sacaroza hay rỉ đường ở phạm vi bình lắc. Năm 1986, Nguyễn Thiện Luân và cộng sự đạt được hiệu suất lên men 37-45g/lit L-AG khi lên men trong môi trường glucoza 12% ở trong bình lắc. IV. Các phương pháp sản xuất mì chính. Mì chính dù được sản xuất bằng phương pháp nào cũng thường tuân theo một số tiêu chuẩn sau: + Tinh thể MSG chứa không ít hơn 99% MSG tinh khiết; + Độ ẩm (trừ nước kết tinh) không được cao hơn 0,5%; + Thành phần NaCl không được quá 0,5%; + Các tạp chất còn lại không chứa Asen, kim loại và hợp chất Canxi. Có nhiều phương pháp sản xuất mì chính khác nhau, từ các nguồn nguyên liệu khác nhau. Hiện nay, trên thế giới có bốn phương pháp cơ bản: phương pháp tổng hợp hoá học, phương pháp thuỷ phân protit, phương pháp kết hợp và phương pháp lên men. 1) Phương pháp tổng hợp hoá học. phương pháp này ứng dụng các phản ứng tổng hợp hoá học để tổng hợp nên acid glutamic và các amino acid khác từ các khí thải của công nghiệp dầu hoả hay các ngành khác. Ví dụ: Ở Nhật năm 1932 đã tổng hợp được 300 tấn acid glutamic, prolin,… từ cracking dầu hoả, từ furfurol tổng hợp ra prolin, lizin. Ưu điểm: Phương pháp này có thể sử dụng nguồn nguyên liệu không phải thực phẩm để sản xuất ra và tận dụng được các phế liệu của công nghiệp dầu hoả. Nhược điểm: Chỉ thực hiện được ở những nước có công nghiệp dầu hoả phát triển và yêu cầu kỹ thuật cao. Mặt khác sản xuất bằng con đường này tạo ra một hỗn hợp không quay cực D,L-acid glutamic, việc tách L-acid glutamic ra lại khó khăn nên làm tăng giá thành sản phẩm. Do nhược điểm như vậy nên phương pháp này ít được sử dụng ở các nước. 2) Phương pháp thuỷ phân protit. Phương pháp này sử dụng các tác nhân xúc tác là các hoá chất hoặc fecmen để thuỷ phân một nguồn nguyên liệu protit nào đó(khô đậu, khô lạc,…) ra một hỗn hợp aminoaxit từ đấy tách các acid glutamic ra và sản xuất mì chính. Ưu điểm: dễ khống chế quy trình sản xuất và áp dụng được vào các cơ sở thủ công, bán cơ giới, cơ giới dễ dàng. Nhược điểm: Cần sử dụng nguyên liệu giàu protit hiếm và đắt. Cần nhiều hoá chất và các thiết bị chống ăn mòn. Hiệu suất thấp đưa đến giá thành cao. ⇒ Hiện nay ở nước ta và nhiều nước trên thế giới vẫn sử dụng phương pháp này. 3) Phương pháp kết hợp. Đây là phương pháp kết hợp giữa tổng hợp hoá học và vi sinh vật học. Phương pháp vi sinh vật tổng hợp nên acid amin từ các nguồn đạm vô cơ và glucid mất nhiều thời gian, do đó người ta lợi dụng các phản ứng tổng hợp tạo ra những chất có cấu tạo gần giống acid amin, từ đấy lợi dụng vi sinh vật tiếp tục tạo ra acid amin. ⇒ Phương pháp này tuy nhanh nhưng yêu cầu kỹ thuật cao, chỉ áp dụng nghiên cứu chứ ít áp dụng vào công nghiệp sản xuất. 4) Phương pháp lên men. Nguyên liệu → acid glutamic → mì chính. Phương pháp này lợi dụng một số vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp ra các acid amin từ các nguồn glucid và đạm vô cơ. Phương pháp này có nhiều triển vọng phát triển ở khắp các nước, nó tạo ra được nhiều loại amino acid như: acid glutamic, lizin, valin, alanin, phenylalanine, triptophan, methionin,… Phương pháp lên men có nguồn gốc từ Nhật Bản, năm 1956 khi mà Shukuo và Kinoshita sử dụng chủng Micrococcus glutamicus sản xuất glutamate từ môi trường có chứa glucoza và ammoniac. Sau đó một số loài vi sinh vật cũng được sử dụng như Brevi Bacterium và Microbacterium. a) Nguyên liệu: Để lên men sản xuất axit glutamic, người ta dùng nguyên liệu chủ yếu là dịch có đường, hoặc rỉ đường, hoặc các nguồn nguyên liệu tinh bột đã qua giai đoạn đường hóa. Khoai mì là nguyên liệu tinh bột được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Ngoài ra còn có các nguồn dinh dưỡng bổ sung như muối amôn, photphat, sulfat, biotin, vitamin B,… Trong thực tế sản xuất, người ta dùng rỉ đường làm môi trường lên men thay cho cao bắp. Rỉ đường thường pha loãng đến 13 – 14% và thanh trùng trước khi lên men. Nếu là nguyên liệu chứa tinh bột, thì tinh bột phải được thủy phân (quá trình dịch hóa và đuờng hóa) nhờ enzym a -b- amylaza rồi sau đó mới bổ sung thêm dinh dưỡng vào môi trường lên men. b) Chủng vi sinh: Tham gia vào quá trình lên men sản xuất axit glutamic, chủng vi sinh thường sử dụng là: Corynebacterium Glutanicum, Brevibacterium Lactofermentus, Micrococus Glutamicus; nhưng chủ yếu nhất vẫn là chủng Corynebacterium Glutamicum (loại vi khuẩn này đã được nhà vi sinh vật Nhật Bản Kinosita phát hiện từ 1956, có khả năng lên men từ tinh bột, ngô, khoai, khoai mì để tạo ra axit glutamic). Tất cả các loài vi sinh vật này đều có một số đặc điểm sau: Hình dạng tế bào từ hình cầu đến hình que ngắn; Vi khuẩn Gram(+); Hô hấp hiếu khí; Không tạo bào tử; Không chuyển động được, không có tiên mao; Biotin là yếu tố cần thiết cho sinh trưởng và phát triển; Tích tụ một lượng lớn glutamic từ hydrat cacbon và NH 4 + trong môi trường có sục không khí. Giống vi khuẩn thuần khiết này được lấy từ ống thạch nghiêng tại các cơ sở giữ giống, sau đó được cấy truyền, nhân sinh khối trong môi trường lỏng. Khối lượng sinh khối được nhân lên đến yêu cầu phù hợp cho quy trình sản xuất đại trà. Trước khi nhân, cấy, môi trường lỏng phải được thanh trùng. Chủng vi khuẩn giống phải có khả năng tạo ra nhiều axit glutamic, tốc độ sinh trưởng phát triển nhanh, có tính ổn định cao trong thời gian dài, chịu được nồng độ axit cao, môi trường nuôi cấy đơn giản, dễ áp dụng trong thực tế sản xuất. c) Kỹ thuật sản xuất axit glutamic: Mì chính (MSG) là một trong 20 axit amin cấu tạo nên phân tử protein được sử dụng nhiều trong thực tế cuộc sống vì công dụng của nó. Axit glutamic sản xuất bằng phương pháp lên men vi khuẩn, với nguyên liệu là đường, mật rỉ. Quá trình này được xúc tác nhờ hệ enzym có sẵn trong vi khuẩn, chuyển hóa qua nhiều giai đoạn trung gian với nhiều phản ứng khác nhau tạo ra nhiều sản phẩm phụ, và cuối cùng là sản phẩm axit glutamic. Thực chất của quá trình này là đường được chuyển hóa (quá trình đường phân theo Enbden – Meyerhoff), rồi sau đó thông qua chu trình Krebs của quá trình hô hấp hiếu khí của vi khuẩn, sản phẩm axit glutamic được hình thành. Sự hình thành axit glutamic phụ thuộc vào sự tích tụ axit a - xêtoglutaric trong tế bào vi khuẩn và sự có mặt của NH 3 và enzym xúc tác là glutamat dehydrogenaza. Phương pháp lên men vi khuẩn là phương pháp được sử dụng rộng rãi hiện nay trên thế giới để sản xuất axit glutamic và mì chính. Hằng năm, sản lượng mì chính cả thế giới sản xuất theo phương pháp này khoảng 25 – 30 vạn tấn. Ở Việt Nam cũng có nhiều nhà máy sản xuất mì chính bằng phương pháp lên men như: VeDan, Ajino Moto, Việt Trì, Thiên Hương… Để sản xuất mì chính từ axit glutamic bằng phương pháp lên men, quy trình công nghệ được triển khai theo các giai đoạn sau: Chuẩn bị dịch lên men: Môi trường lên men được chuẩn bị sẵn từ các nguyên liệu đường hoặc tinh bột được thanh trùng kỹ trước khi cấy vi khuẩn lên men glutamic vào. Giai đoạn lên men: dung dịch nhân sinh khối vi khuẩn, dung dịch lên men được chuyển vào các dụng cụ, thiết bị lên men, sau đó cho corynebacterium glutamicum vào, cho lên men trong điều kiện thoáng khí, giữ ở nhiệt độ 32 – 37 0 C trong thời gian 38 – 40 giờ. Kết thúc quá trình lên men, lượng acid glutamic có thể đạt 50 – 60g/ lít. Trong thời gian lên men, pH sẽ chuyển dần sang acid do sự hình thành acid glutamic do đó người ta thường bổ sung thêm dinh dưỡng vào môi trường nguồn amôn (NH 4 Cl, (NH 4 ) 2 SO 4 , urê) để giữ ổn định độ pH cho vi khuẩn hoạt động tốt. Không được để điều kiện lên men là yếm khí vì sản phẩm tạo ra sẽ là acid lactic. Để tạo thoáng khí, trong các thiết bị lên men bố trí bộ phận khuấy trộn dịch với tốc độ V = 450 vòng/ phút. d) Tinh sạch acid glutamic: Kết thúc quá trình lên men, acid glutamic được tạo thành cùng với một số tạp chất khác, do đó cần phải tinh chế các tạp chất này ra khỏi dung dịch chứa acid glutamic. Phương pháp thường dùng là nhựa trao đổi rezin. Nhựa trao đổi rezin có hai loại: rezin dương tính (mang tính acid) và rezin âm tính (mang tính kiềm). Dịch lên men có chứa acid glutamic và tạp chất cho chảy qua cột nhựa (có chứa rezin) từ dưới lên với tốc độ 150 – 180 lít/ phút, thời gian chảy qua cột là 150 – 180 phút. Song song, người ta cho dòng nước chảy qua cột cùng chiều với dung dịch lên men để rửa các vi khuẩn bám vào bề mặt rezin. Giữ nhiệt độ trong cột trao đổi ion là 60 – 65 0 C. Sau khi kết thúc quá trình trao đổi ion, dùng NaOH 4 – 5% để tách acid glutamic ra khỏi cột (tốc độ chảy NaOH là 5 – 6m/ giờ, lưu lượng 100lít/ phút). Người ta có thể sử dụng than hoạt tính để khử màu. Acid glutamic được thu bằng cách điều chỉnh pH = 3,2 rồi cô đặc dung dịch và giảm nhiệt độ xuống 4 0 – 15 0 C sẽ thu được tinh thể acid glutamic với lượng 77 – 88% hoặc cao hơn. e)Sự tạo thành mì chính: Mì chính là muối natri của axit glutamic, gọi là glutamat natri. Dùng NaOH 40 – 50% để trung hòa dung dịch axit glutamic đến pH = 6,8, sau đó đem lọc, cô đặc, và kết tinh bằng phương pháp sấy chân không ở nhiệt độ thấp sẽ thu được tinh thể mì chính màu trắng. Độ tinh khiết của mì chính có thể đạt 99 – 99,6% monoglutamat natri. Ưu điểm chính của phương pháp lên men: Không sử dụng nguyên liệu protit; Không cần sử dụng nhiều hoá chất và thiết bị chịu ăn mòn; Hiệu suất cao, giá thành hạ; Tạo ra acid glutamic dạng L, có hoạt tính sinh học cao. Phương pháp này có nhiều ưu điểm nên hiện nay đang được nghiên cứu và ứng dụng ở nước ta và khắp các nước trên thế giới. corynebacterium glutamicum . Natri glutamate. 2) Tình hình sản xuất mì chính trên thế giới và Việt Nam. Ngày nay sản phẩm mì chính đã được sản xuất hoàn toàn theo phương pháp lên men trên khắp thế giới. a) Tình hình sản xuất. thế giới để sản xuất axit glutamic và mì chính. Hằng năm, sản lượng mì chính cả thế giới sản xuất theo phương pháp này khoảng 25 – 30 vạn tấn. Ở Việt Nam cũng có nhiều nhà máy sản xuất mì chính. glutamicus sản xuất glutamate từ môi trường có chứa glucoza và ammoniac. Sau đó một số loài vi sinh vật cũng được sử dụng như Brevi Bacterium và Microbacterium. a) Nguyên liệu: Để lên men sản xuất