CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẤT TẠO NGỌT TỪ VI SINH VẬT

Nó giúp tận dụng các nguyên liệu rẻ tiền và phục vụ nhu cầu sử dụng hiện nay.Vì vậy, nhóm chúng tôi thực hiện đề tài: “Công nghệ sản xuất chất tạo ngọt từ vi sinh vật” để tìm hiểu rõ hơn

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM

BÁO CÁO TIỂU LUẬN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG

1 Đỗ Thiên Hương 2006120161

2 Trần Thị Thu Huyền 2006120220

3 Nguyễn Hoàng Khải 2006120098

4 Nguyễn Thị Quỳnh Như 2006120177

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2015

MỨC ĐỘ HOÀN THÀNH CÔNG VIỆC CỦA CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM

LỜI NÓI ĐẦU

Xylitol là một loại chất tạo ngọt thuộc nhóm polyol Xylitol đã được sử dụng như một chấttạo ngọt trong thực phẩm kể từ thập niên 1960 Nó được sử dụng rộng rãi như một chất ngọtthay thế đường cát bởi vai trò trong việc giảm sự phát triển của sâu răng Xylitol có nguồngốc thiên nhiên từ nhiều loại rau quả: trấu ngô, yến mạch, nấm…Nó có độ ngọt tương đươngSaccharose với vị ngọt thanh không gây hậu vị khó chịu trong miệng và cung cấp chỉ bằng2/3 lượng calories tương ứng

Hiện nay việc tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có để sản xuất xylitol phục vụ nhu cầu sửdụng ngày càng phát triển Nó giúp tận dụng các nguyên liệu rẻ tiền và phục vụ nhu cầu sử

dụng hiện nay.Vì vậy, nhóm chúng tôi thực hiện đề tài: “Công nghệ sản xuất chất tạo ngọt

từ vi sinh vật” để tìm hiểu rõ hơn về công nghệ sản xuất xylitol từ vi sinh vật.

Trong bài báo cáo còn nhiều sai sót mong cô và các bạn góp ý để bài báo cáo chúng tôi hoànthiện hơn

TPHCM, Tháng 5 Năm 2015Nhóm thực hiện

NHÓM 18

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VÀ DANH MỤC BẢNG 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT TẠO NGỌT 5

1.1.Định nghĩa 5

1.2.Phân loại 6

1.3.Xylitol 7

CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT CHẤT TẠO NGỌT 7

2.1.Nguyên liệu 7

2.2.Môi trường 9

2.3.Vi sinh vật 10

2.4.Quy trình công nghệ 12

2.4.1.Quy trình trích ly xylose từ nguyên liệu 12

2.4.2.Quy trình lên men sản xuất xylitol 18

2.4.3.Sản phẩm 25

2.4.4.Thành tựu công nghệ 25

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

DANH MỤC HÌNH VÀ DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH Hình 1: Cơ chế hình thành xylitol từ xylose 7

Hình 2: Thiết bị tiệt trùng autoclave 10

Hình 3: nấm men C.Tropicalis 10

Hình 4: Nấm men Candida guilliermonlii 11

Hình 5: Máy xay bã mía 13

Hình 6: Thiết bị thuỷ phân bã mía 14

Hình 7: Máy xử lý nguyên liệu 15

Hình 8: Cấu trúc lỗ hỏng của than hoạt tính và than hoạt tính dạng bột mịn 16

Hình 9: Thiết bị lọc than hoạt tính 16

Hình 10: Thiết bị cô đặc chân không 17

Hình 11: Thiết bị lọc khung bản 20

Hình 12: Sơ đồ hệ thống trao đổi ion 20

Hình 13: Cấu tạo D-xylulose 21

Hình 14: Cấu tạo xylitol 22

Hình 15: Một số loại nhựa trao đổi ion 22

Hình 16: Sơ đồ thiết bị lên men 23

DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Bảng số lượng các nhóm chức của lignin ( tính theo 100 đơn vị phenylpropan) 8

Bảng 2 Thành phần gỗ brich thủy phân 8

Bảng 3 Thành phần hóa học của bắp 9

Bảng 4: Xylitol được sản xuất từ trấu thủy phân nước nóng bằng cách lựa chọn phân lập.25 Bảng 5: ảnh hưởng của phương pháp xử lý vật lý và hóa học khác nhau trên thành phần trấu gạo 26

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT TẠO NGỌT

1.1.Định nghĩa

Chất tạo ngọt: Là phụ gia tạo vị ngọt,chúng được thêm vào thực phẩm như chất thay thế đường Được sử dụng khá phổ biến trong công nghệ chế biến và bảo quản thực phẩm

Đến nay, các nhà khoa học đã tìm thấy hàng trăm chất hóa học có khả năng tạo nên vị ngọt Chúng được chiết tách từ thực vật hoặc được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp Tuy nhiên chỉ vài chục chất được phép sử dụng trong công nghệ thực phẩm Tùy theo quy định của mỗi quốc gia mà danh mục các chất tạo ngọt được phép sử dụng có thể khác nhau Các nhà khoa học vẫn đang nổ lực tìm kiếm những chất tạo ngọt mới với các đặc tính kỹ thuật

ưu việt hơn để được sử dụng trong sản xuất một số loại thực phẩm chức năng

1.2.Phân loại

Có nhiều phương pháp phân loại các chất tạo vị ngọt Theo Branen và cộng sự (1989), cácchất tạo vị ngọt có thể chia thành hai nhóm: có giá trị dinh dưỡng và không có giá trị dinhdưỡng

Khi sử dụng các chất tạo ngọt, người ta thường quan tâm đến ba khái niệm dưới đây:

 Vị ngọt: Vị ngọt của Saccharose được xem là vị ngọt chuẩn Một số chất ngọt có thể

có vị ngọt pha lẫn (vd: glycyrrhizin có vị ngọt pha lẫn vị cam thảo)

 Ngưỡng phát hiện: Nồng độ thấp nhất của dung dịch chất tạo vị ngọt để người sửdụng có thể cảm nhận và phát hiện được vị ngọt

 Độ ngọt tương đối: Thường được so sánh với độ ngọt của chất chuẩn Saccharose.Việc xác định độ ngọt tương đối được thực hiện bằng cách so sánh tỷ lệ nồng độ chấttạo ngọt cần tím với chất chuẩn, sao cho vị ngọt của hai dung dịch là tương đương

Đơn vị đo nồng độ thường dùng là: phần trăm khối lượng (W/W) hoặc mol/l.

Chất tạo ngọt

Có giá trị dinhdưỡng

Không có giá trị dinh dưỡng

Glucid Polyols Tự nhiên Tổnghợp

monosaccharide Disaccharide Hỗn

hợp

Đơn giản

Hỗnhợp

Glucose

Frutose

Galactose

SaccharoseMantoseLactose Đườngnghịch

đảo Syrup thuỷ phân

từ Mật ong

XylitolSorbitolMannitolMaltitolLactiol

GlucoseSyrup được hydrogenhoáIsomalt

zin

Glycyrrhi-SteviosideThaumatinMonelinMiracullinDihidroch-alcone

SaccharineCyclamateAcesulfameAspartameSucraloseDulcine

Là một chất làm ngọt xuất hiện tự nhiên.Nó có thể được tìm thấy trong quả dâu tây, rau vànấm…Tiếng Phần Lan gọi nó là “koivusokeri” hay “đường phong” Cách tốt nhất để sảnxuất xylitol là sản xuất từ cây Bulô bằng việc băm nhỏ và nấu chảy sợi gỗ xylan

Hình 1: Cơ chế hình thành xylitol từ xylose

Hydrolysis Hydrogenation(C5H8O4)n n(C5H10O5) n(C5H12O5)Pentosans Xylose Xylitol

 Nhiệt hòa tan: -34,8cal/g

 Năng lượng: 4,06cal/g

CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT CHẤT TẠO NGỌT

 Hemixenluloze là hỗn hợp của một số loại pholysaccarit khi thủy phân chủ yếu tạo ramột số đồng phân lập thể thuộc heoza.

 Hemixenluloze gồm các pholysaccarit mà mạch phân tử có thể là homopolyme hoặcopolyme

 Các đơn vị mắc xích của các pholysaccarit hemixenluloza thường là vòng anhydrocủa các saccarit như D-xyloza, L-arabubiza

 Trong thành phần của một số pholysaccarit hemixenluloza còn liên kết với nhómaxetyl làm cho thành phần của hemixenluloza trở nên phức tạp hơn

Bảng 2 Thành phần gỗ brich thủy phân

Galactose(%)

Mannose(%)

Hình 2: Thiết bị tiệt trùng autoclave

- Bổ sung dịch nấm men và các khoáng còn lại

 Nguồn nito: muối amoni

 Nhiệt độ tối thích: 300C

 pH: 4.1-5.3

 Nhu cầu oxi: vi sinh vật kị khí tùy tiện

 Hình thức sinh sản: sinh sản hữu tính

 Nguồn cacbon: xylose Glucose.Sucrose

 Nguồn nito: muối amoni

 Nhiệt độ tối thích: 300C

 pH: 3.5-7

 Nhu cầu oxi: vi sinh vật kị khí tùy tiện

 Hình thức sinh sản: sinh sản hữu tính

Nước nóng HCL

Pha lỏng

Mục đích: chuẩn bị cho quá trình thủy phân

Phương pháp thực hiện: dung dịch axid clohydric ( hoặc acid sulfuric) và bã míađược phối trộn theo tỷ lệ HCl: bã mía khô là 10:1 Hỗn hợp được trộn kỹ trong thùngquay và được chuyển qua thiết bị trao đổi nhiệt

Hình 6: Thiết bị thuỷ phân bã mía

7 Lọc

Mục đích: thu dịch lọc chứa xylose

Phương pháp thực hiện: hỗn hợp được lọc lấy phần lỏng Dịch lỏng được thu vàonhững bình đáy hình nón được đặt ngay dưới băng tải, quá trình này trích ly hoàntoàn thành phần xylose của bã mía Sản phẩm thủy phân được thu vào bình đáy hìnhnón chứa khoảng 17-20% xylose

Hình 7: Máy xử lý nguyên liệu

8 Xử lý pha lỏng

a Lọc

Mục đích: để loại bỏ những phần chưa được thuỷ phân

Thiết bị: thiết bị lọc dùng vải lọc

b Xử lý dịch lọc với than hoạt tính

Hình 8: Cấu trúc lỗ hỏng của than hoạt tính và than hoạt tính dạng bột mịn

Mục đích: Để hạn chế nồng độ các chất ức chế quá trình lên men sinh ra trong quá trìnhthuỷ phân như acid acetic, furfural, hydroxyl metyl furfural, hợp chất phenolic

Phương pháp thực hiện: Hỗn hợp sau khi thuỷ phân sẽ được xử lý bằng than hoạt tính ở

300C trong 60 phút, và thường được tiến hành 3 lần, quá trình này được thực hiện ngaysau quá trình lọc

Thiết bị:

Hình 9: Thiết bị lọc than hoạt tính

c cô đặc chân không

Mục đích: tăng hàm lượng xylose như mong muốn, đáp ứng cho quá trình lên men.Phương pháp: nhiệt độ cô đặc 700C pH được đều chỉnh ở 5,4 sử dụng NaOH 0,1N

Thiết bị: thiết bị cô đặc chân không

Hình 10: Thiết bị cô đặc chân không Nguyên lý hoạt động:

Dung dịch hoặc hỗn hợp (quả, miếng và dịch) cho vào thiết bị qua cửa nạp nguyên liệu.Sau đó đóng chặt cửa lại Mở van hơi cấp nhiệt cho thiết bị Dưới tác dụng của hơi nướcbão hoà, hỗn hợp dịch trong thiết bị được nâng dần nhiệt độ Khi nhiệt độ dịch đạt 70-

750C, bơm chân không hoạt động, hút hơi ẩm ra ngoài, tạo độ chân không cho thiết bị.Khi áp suất chân không làm việc đạt p= 500-600 mmHg, điều chỉnh van hơi sao chothông số của thiết bị ổn định, lúc này dịch trong thiết bị sôi, chất lỏng được hoá hơi vàhơi được hút ra ngoài bằng bơm chân không Nồng độ chất hoà tan trong dịch tăng dầnlên, quá trình thẩm thấu chất hoà tan diễn ra làm nồng độ chất khô trong dịch cũng tăngdần Quá trình diễn ra liên tục cho đến khi nồng độ chất khô của sản phẩm đạt yêu cầu.sản phẩm được tháo ra ngoài qua cửa tháo sản phẩm

2.4.2.Quy trình lên men sản xuất xylitol

Giải thích quy trình công nghệ

1 Nhân giống

Mục đích: tạo giống cho sản phẩm từ giống gốc.

Thực hiện: Phục hồi giống nuôi trong môi trường thạch nghiêng (40g/ml malt, 15g/ml agar)

ủ ở nhiệt độ 25oC cho đến khi tạo bào tử

Chuẩn bị môi trường lên men và cấy giống theo các cấp cho đến khi đủ canh trường để lênmen cho sản xuất

Sơ đồ nhân giống:

 Thể tích lên men: 150m3

 Tỉ lệ bổ sung môi trường giống: 5- 10% thể tích môi trường

 Ống giống gốc được đưa vào erlen 50ml (chứa 15ml môi trường)

 Erlen 500ml chứa 150ml môi trường

 Thùng 5 lít chứa 2 lít môi trường

 Thùng 50 lít chứa 15 lít môi trường

 Bồn 5h chứa 150 lít môi trường

 Bồn 5m3 chứa 1.5 m3 môi trường

Nhân giống

Lên men

Tách và tinh chế

Xylitol

 Bồn 20m3 chứa 15m3 môi trường (giống cho sản xuất).

2 Lên men

Mục đích: Quá trình trao đổi chất của VSV sẽ tăng sinh khối và sản phẩm (xylitol).

Thực hiện: môi trường sẽ được bơm bào thiết bị lên men, tiếp theo giống được cho vào.

Oxy được bơm liên tục trong quá trình lên men

 Tốc độ oxy: hòa tan trong môi trường 0.1- 5% của không khí bão hòa

Vấn đề tiến hành bổ sung môi trường

 Bắt đầu bổ sung môi trường khi hàm lượng xylose còn khoảng 3-6 %

 Môi trường bổ sung: 1 lít chứa 700g xylose và 100g glucose, ngoài ra còn có các chấtdinh dưỡng

 Tốc độ bổ sung: 6.04g/l.h

Các yếu tố ảnh hưởng của quá trình lên men

- Hàm lượng glucose trong môi trường nuôi cấy:

 Glucose nguồn dinh dưỡng, giúp vi sinh vật tăng sinh khối Sinh khối nhiều làm tăngsản phẩm

 Sự tạo thành ethanol trong quá trình trao đổi chất, gây ức chế tế bào hoặc ức chế sảnxuất sản phẩm

⇒Vậy cần có hàm lượng đường tối ưu.

- Hàm lượng oxy và thế oxy hoá khử:

 Hàm lượng oxy thay đổi thế oxy hoá khử thay đổi

 Ảnh hưởng lên hiệu suất tạo sản phẩm (xylitol)

Điểm oxi hóa khử tối ưu: -100mv Để điều khiển thông số này ta dùng một cảm ứng thế

oxy hóa, cảm biến sẽ thu được một tín hiệu gửi về bộ phần điều khiển, từ đó sẽ điều chỉnhvận tốc oxy cho phù hợp

a Lọc – khử khoáng

 Mục đích: tái sinh khối nấm men và cặn nhằm thu dịch trong chứa Xilytol

 Thực hiện: dịch sau lên men được bơm qua thiết bị lọc khung bản Sinh khối và cặnđược giữ lại trên màng, ta thu được dịch trong

Hình 11: Thiết bị lọc khung bản

Dịch trong thu được sẽ qua quá trình khử khoáng

Hình 12: Sơ đồ hệ thống trao đổi ion

b Cô đặc chân không

 Mục đích: bốc hơi nước giảm hàm ẩm, tăng nồng độ đường Ngoài ra còn làm mấtmột số chất bay hơi

 Thưc hiện: dịch trong thu được bơm vào thiết bị cô đặc, điều kiện làm việc áp suấtthấp, nhiệt độ thấp (50oC) nhằm tránh được các phản ứng biến đổi đường ở nhiệt độcao

Thiết bị: thiết bị cô đặc chân không

c Loại D- Xylulose

 D- Xylulose là đường sót trong quá trình lên men, loại D- Xylulose nâng cao độ tinhkhiết cho Xylitol

Hình 13: Cấu tạo D-xylulose

Hình 14: Cấu tạo xylitol

 Thực hiện: thực hiện bằng phương pháp trao đổi ion Nhựa trao đổi ion sẽ hấp phụXylulose mạnh

Hình 15: Một số loại nhựa trao đổi ion

 Thiết bị: ion change resin Amberlite IRA 400

d Trích ly và kết tinh

 Mục đích: thu Xylitol

 Thực hiện:Cồn nóng được dùng làm dung môi trích ly Xylitol sẽ hòa tan trong cồnnóng Sau đó hạ nhiệt độ tới -15oC các tinh thể Xylitol bắt đầu kết tinh, lọc kết tủa(thu sản phẩm) Lấy tinh thể hòa tan vào cồn nóng trở lại, sau đó tái kết tinh đễ thuđược sản phẩm đảm bảo tinh khiết

e Sơ đồ thiết bị lên men

Hình 16: Sơ đồ thiết bị lên men

f Thuyết minh quy trình

 Thùng lên men: môi trường được bơm vào thùng lên men từ thùng chứa môi trường

 Trên nắp thùng có gắn cánh khuấy và động cơ khuấy

 Thùng giống: chứa canh trường nấm men

 Thùng môi trường: chứa môi trường lên men

 Bộ chỉnh pH: gồm hai bình acid và bazo Bộ cảm biến pH sẽ cho biết sự biến đổi của

pH trong tiến trình lên men và gửi tính hiệu cho bộ điều khiển để chỉnh pH cho thíchhợp

 Bộ điều chỉnh nhiệt độ: 1 bình nóng một bình lạnh Phương pháp điều khiển giống bộđiều chỉnh pH

 Hệ thống cấp oxy: gồm thiết bị lọc không khí (đảm bảo không khí luôn sạch, nếukhông môi trường lên men sẽ bị nhiễm), hệ thống bơm khí vào thùng từ dưới lên

 Dịch sau lên men sẽ được bơm ra thiết bị chiết tách.

g. Đánh giá quá trình lên men: Dùng HPLC với cột là Suger pak I.

2.4.3.Sản phẩm

Xylitol đã được sử dụng trong một loạt sản phẩm Nó có thể được sử dụng như một phụ giathực phẩm trong ngành công nghiệp: trong ngành công nghiệp dược phẩm, y tế thực phẩm,nước giải khát, các ngành công nghiệp bánh ngọt, chất tạo ngọt…

1 Xylitol trong các sản phẩm thực phẩm

Ta dùng Xylitol để được cải thiện chất lượng cá đông lạnh và các sản phẩm từ thịt bằng cáchkhi sản xuất cho thêm trộn chung đường Xylitol Nó ngăn chặn sự biến tính của quá trìnhđông lạnh và duy trì màu sắc của sản phẩm

Xylitol đã được áp dụng các thực phẩm dựa trên sản phẩm mật ong có hương vị làm cho sảnphẩm có độ tinh khiết cao hơn nâng cao chất lượng nếu có cho thêm một ít calorie và chứa ítcalorie polysaccharides như polydextrose và một polyol (sorbitol, maltitol, xylitol)

Việc sử dụng Xylitol trong kẹo cao su (chewing gum) cho các vấn đề vệ sinh răng miệng vàđiều trị các bệnh răng miệng Kẹo cao su được sản xuất bằng cách pha trộn các chất diệtkhuẩn, bột đường Nó cũng có thể chứa các thành phần khác như chất làm mền và mùi thơm.Các chất diệt khuẩn được lựa chọn từ các chất sát trùng và một số loại muối của acid citric,muối fluoride và Ribavirin

Sản xuất xylitol bằng phương pháp lên men từ rơm

Mỗi năm, một số lượng lớn sinh khối phế thải được tích lũy trong tự nhiên, là nguyên căncác vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đốt 1 tấn chất thải này sẽ cho ra 1.7 tấn CO,

NO, methyl clorua và các khí độc khác Chất thải xuất ra tăng dần đến một điểm nơi mà cácphương cách khôi phục tự nhiên chưa thích đáng Vì thế cần tìm ra những công nghệ mới để

tiết kiệm sử dụng các sản phẩm có thể phục hồi này cốt đễ giảm giá việc xử lý ô nhiễm.Trong những năm gần đây, sự chú ý tập trung vào các quá trình công nghệ sinh học cho việcsản xuất vài nguồn thức ăn hữu ích và các sản phẩm thực phẩm khác Một trong những sảnphẩm này là xylitol được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm và công nghiệp dược phẩm Sảnxuất xylitol bằng sự lên men có thể là một sự hấp dẫn khác cho quá trình truyền thống theo

kiểu làm việc tổng hợp hóa học Người ta sử dụng giống nấm men Candida tropicalis làm

tác nhân chuyển hóa xylose từ rơm thành xylitol

Rơm chứa 1 lượng lớn hemixenlulose (29.4%), trong đó hàm lượng đường tổng chứa đến10.3%, 69% trong các loại đường này là xylose

Thí nghiệm đầu tiên là thủy phân rơm bằng nước nóng Rơm khô xay nhuyễn được thủyphân chỉ bằng nước nóng 100oC, sau đó tiến hành lên men trong môi trường không bổ sungnguồn cacbon (xylose là nguồn cacbon duy nhất) và được nuôi dưới điều kiện tối thích chomỗi chủng Kết quả cho thấy sự phát triễn của cả hai chủng tương đối thấp và lượng xylitol

bắt đầu được tích lũy sau 3 ngày ở chủng Candida và sau 4 ngày ở chủng Candida

Tropocalis thì nhỏ.

Sau 4 ngày nuôi, hàm lượng xylose ban đầu là 7gam/lit được tiêu thụ hoàn toàn và xylitol

được sản xuất bởi 2 chủng đạt 0.8gam/lit và 0.45gam/lit trong trường hợp Candida

guilliermondii và Candida Tropocalis tương ứng.

Trong khi đó năng suất của XR thì rất thấp chỉ đạt 0.04u/gh ở chủng Candida guilleirmondii

và 0.01u/gh ở chủng Candida Tropocalis.Một trong những nguyên nhân chính liên quan đến

sự tiêu thụ môi trường được sản xuất từ vật liệu hemixenlulose là khả năng lên men kém,đặc biệt ở nồng độ cao Điều này giải thích tỷ lệ sản phẩm xylitol thấp ở nồng độ của xylose

từ sản phẩm thủy phân hemixenlulose

Bảng 4: Xylitol được sản xuất từ trấu thủy phân nước nóng bằng cách lựa chọn phân

lập

Yeast isolates T

(h)

R (g/l)

C (g/l)

X (g/l)

V.P (g/l.h)

S.P (U/g.h)

E (U/ml)