slide thuyết trình Ứng dụng công nghệ sinh học trong công nghệ thực phẩm CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT bột ngọt

Phản ứng phân hủy ở nhiệt độ cao• Ở nhiệt độ cao trên dưới 1000C, axit glutamic trong dung dịch nguyên chất bị mất nước và chuyển thành axit hydroglutamic Sau 8 giờ đun sôi, axit glutami

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

NỘI DUNG CHÍNH

• Khái quát về bột ngọt

• Các phương pháp sản xuất

• Nguyên liệu sản xuất

• Các yếu tố ảnh hưởng tới quy trình sản xuất

• Dây chuyền công nghệ

• Thiết bị

• Tiêu chuẩn sản phẩm

• Các sản phẩm hiện hành

Định nghĩa

- Bột ngọt là muối mono natri axit L-Glutamic.

- Dạng bột hoặc tinh thể màu trắng ngậm một phân

tử nước.

- Là chất điều vị.

- Công thức: C5H8NO4Na.

- Trọng lượng phân tử: 187,13

Nguồn gốc

- Cách đây hàng ngàn năm người

Nhật bắt đầu dùng rong biển làm

thực phẩm, họ phát hiện ra loại

rong lá ( có tên khoa học là

Laminaria japonica) còn là một

loại gia vị hảo hạn, làm thức ăn

có hương vị đậm đà (do acid

glutamic)

- Ikeda đã khám phá ra thứ hoạt

chất trích từ rong biển là

monosodium glutamate

- Cách đây hàng ngàn năm người

Nhật bắt đầu dùng rong biển làm

thực phẩm, họ phát hiện ra loại

rong lá ( có tên khoa học là

Laminaria japonica) còn là một

loại gia vị hảo hạn, làm thức ăn

có hương vị đậm đà (do acid

glutamic)

- Ikeda đã khám phá ra thứ hoạt

chất trích từ rong biển là

monosodium glutamate

Phản ứng phân hủy ở nhiệt độ cao

• Ở nhiệt độ cao trên dưới 1000C, axit glutamic trong dung dịch nguyên chất bị mất nước và chuyển thành

axit hydroglutamic Sau 8 giờ đun sôi, axit glutamic

bị mất đến 50%, ở nhiệt độ cao hơn 100 0 C các phân tử axit hydroglutamic trùng hợp với nhau tạo thành các hợp chất cao phân tử đặc quánh và nâu sẫm.

Sau 8 giờ đun sôi, axit glutamic

bị mất đến 50%, ở nhiệt độ cao hơn 100 0 C các phân tử axit hydroglutamic trùng hợp với nhau tạo thành các hợp chất cao phân tử đặc quánh và nâu sẫm.

Phân loại

Bột ngọt tự nhiên

Có sẵn trong các thực

phẩm tự nhiên như thịt,

cá, sữa và trong rau quả

như cà chua, đậu hà lan,

Vị ngọt hoặc hơi mặn

Chức năng sử dụng trong thực phẩm: tăng vị Umami

Glutamat tự nhiên có trong thực phẩm và glutamat có nguồn gốc từ

mì chính đều giống nhau

Chúng được hệ thống ruột hấp thụ và tiêu hóa

như nhau

Glutamat tự nhiên có trong thực phẩm và glutamat có nguồn gốc từ

mì chính đều giống nhau

Chúng được hệ thống ruột hấp thụ và tiêu hóa

như nhau

Vai trò

Thay một phần thịt cho vào các hỗn hợp thực phẩm, xúp, rượu, bia và các sản phẩm khác.

• Làm gia vị cho các món ăn, cháo, mì ăn liền, thịt nhân tạo, các loại thịt cá đóng hộp v.v

Sản phẩm hấp dẫn hơn và L-AG được đưa vào cơ thể, làm tăng khả năng lao động trí óc và

chân tay của con người.

• Làm gia vị cho các món ăn, cháo, mì ăn liền, thịt nhân tạo, các loại thịt cá đóng hộp v.v

Sản phẩm hấp dẫn hơn và L-AG được đưa vào cơ thể, làm tăng khả năng lao động trí óc và

chân tay của con người.

- Chỉ thực hiện được ở các nước

có công nghiệp dầu hỏa phát triển

và yêu cầu kĩ thuật cao

- Việc tách L-axit glutamic ra lại khó khăn làm tăng giá thành sản phẩm

Nhược điểm:

- Chỉ thực hiện được ở các nước

có công nghiệp dầu hỏa phát triển

và yêu cầu kĩ thuật cao

- Việc tách L-axit glutamic ra lại khó khăn làm tăng giá thành sản phẩm

Phương pháp thủy phân protit:

Sử dụng các tác nhân xúc tác là các hóa chất hoặc fermen để thủy phân một nguồn nguyên liệu protit (khô đậu, khô lạc…)  hỗn hợp các aminoaxit  tách các axit glutamic ra và sản xuất mì chính

Sử dụng các tác nhân xúc tác là các hóa chất hoặc fermen để thủy phân một nguồn nguyên liệu protit

(khô đậu, khô lạc…)  hỗn hợp các aminoaxit  tách các axit glutamic ra và sản xuất mì chính

• Ưu điểm

• Dễ khống chế quy trình

sản xuất

• Áp dụng được vào các

cơ sở thủ công, bán cơ

giới và cơ giới dễ dàng

• Ưu điểm

• Dễ khống chế quy trình

sản xuất

• Áp dụng được vào các

cơ sở thủ công, bán cơ

giới và cơ giới dễ dàng

• Nhược điểm

• Cần sử dụng nguyên liệu giàu protit hiếm và đắt

• Cần nhiều hóa chất và các thiết bị chống ăn mòn

• Hiệu suất thấp đưa đến giá thành cao

• Nhược điểm

• Cần sử dụng nguyên liệu giàu protit hiếm và đắt

• Cần nhiều hóa chất và các thiết bị chống ăn mòn

• Hiệu suất thấp đưa đến giá thành cao

Phương pháp lên men

Lợi dụng một số VSV có khả năng sinh tổng hợp ra các axit amin từ các nguồn gluxit và đạm vô cơ Tạo ra được nhiều loại aminoaxit như: axit glutamic, lizin, valin, alanin, phenylalanin,tryptophan, methionin

Sử dụng một số vi sinh vật để lên men như là Micrococcus

glutamicus, Brevi bacterium.

Ưu điểm:

Không sử dụng nguyên liệu protit

Không cần sử dụng nhiều hóa chất và thiết bị chịu ăn mònHiệu suất cao, giá thành hạ

Tạo ra axit glutamic dạng L, có họat tính sinh học cao

Ưu điểm:

Không sử dụng nguyên liệu protit

Không cần sử dụng nhiều hóa chất và thiết bị chịu ăn mònHiệu suất cao, giá thành hạ

Tạo ra axit glutamic dạng L, có họat tính sinh học cao

Phương pháp kết hợp

• Lợi dụng các phản ứng tổng hợp tạo ra những chất có cấu tạo gần giống axit amin, từ đây lợi dụng vi sinh vật tiếp tục tạo ra axit amin.

• Yêu cầu kỹ thuật cao, chỉ áp dụng và nghiên cứu chứ ít áp dụng vào công nghiệp sản xuất.

Nguyên liệu

Nguyên liệu

GIỐNG VI SINH VẬT

Thu nhận glucoza từ tinh bột sắn

Thủy phân

bằng acid

Thủy phân bằng enzyme

HCl: nhanh, không tách được

SO4

2-H2SO4: chậm hơn, tách được

gốc SO4

2-α-amylase: cắt lk glucozit tạo maltose

α-1,4-γ-amylase: α-1,4 và α-1,6-glucozit

tạo glucoza

Rỉ đường mía

• Là một phụ phẩm của ngành sản xuất đường,

là sản phẩm cuối cùng của quá trình sản xuất đường mà từ đó đường không còn có thể kết tinh được nữa.

Nước 20%

gồm: nước tự

do và 1 phần nước liên kết

Nước 20%

gồm: nước tự

do và 1 phần nước liên kết

không lên men đường: chất Chất phi

vô cơ, hữu

cơ

Chất phi đường: chất

vô cơ, hữu

cơ

Các nguyên tố: Fe, Zn,

Mn, Cu Co,Mo…

Các nguyên tố: Fe, Zn,

Mn, Cu Co,Mo…

B1,B2, biotin,folic…

Chất sinh trưởng: nicotin,

B1,B2, biotin,folic…

Rỉ đường mía

Rỉ đường mía

Phương pháp xử lý rỉ đường mía

Rỉ đường mía có màu nâu thẫm do nấu và cô đặc nhiều lần tạo caramel và melanoit

Màu này khó bị phá hủy trong quá trình lên men và bám vào sinh khối vi sinh vật và sản phẩm sau lên men

Rỉ đường có hệ keo càng nhiều thì khả năng hòa tan của oxy càng kém  phá hệ keo này

Rỉ đường mía có màu nâu thẫm do nấu và cô đặc nhiều lần tạo caramel và melanoit

Màu này khó bị phá hủy trong quá trình lên men và bám vào sinh khối vi sinh vật và sản phẩm sau lên men

Rỉ đường có hệ keo càng nhiều thì khả năng hòa tan của oxy càng kém  phá hệ keo này

Giống vi sinh vật

• Vi khuẩn là sự lựa chọn số 1 vì:

 Dễ nuôi cấy trong phòng thí nghiệm

 Khả năng sinh sản nhanh hơn

 Quá trình lên men dễ dàng

 Dễ gây đột biến  tính năng có lợi cho sản xuất

• Vi khuẩn là sự lựa chọn số 1 vì:

 Dễ nuôi cấy trong phòng thí nghiệm

 Khả năng sinh sản nhanh hơn

 Quá trình lên men dễ dàng

 Dễ gây đột biến  tính năng có lợi cho sản xuất

Trong các chủng vi sinh vật thì xạ khuẩn có khả năng lên men cao nhất với 30%, vi khuẩn 20%

và nấm mốc 10%.

Trong các chủng vi sinh vật thì xạ khuẩn có khả năng lên men cao nhất với 30%, vi khuẩn 20%

và nấm mốc 10%.

Vi khuẩn không có khả năng tạo bào tử

Loài Bacillus Loài: Micrococcus,Croynebacterium,

Brevibacterium, Arthrobacter và Microbacterium.

Loài:

Micrococcus,Croynebacterium, Brevibacterium, Arthrobacter và Microbacterium.

Vi khuẩn Corynebacterium glutamicum

 Không tạo bào tử

 Không có tiên mao  không chuyển động

được

 Biotin cần thiết cho sinh trưởng và phát

triển

 Tích tụ một lượng lớn glutamic từ hydrat

cacbon và NH4+ trong môi trường có sục

không khí.

Cơ chế lên men

• Có rất nhiều nguồn để lên men L-AG từ các chủng

vi sinh vật: glucoza, axetat, benzoate, n-alkan…

• Đường được chuyển hóa theo con đường đường phân  chu trình Krebs của quá trình hô hấp hiếu khí của vi khuẩn  sản phẩm acid glutamic được hình thành

• Sự hình thành acid glutamic phụ thuộc:

– Sự tích tụ của acid α-cetoglutaric trong tế bào

– Sự có mặt của NH3

– Enzyme xúc tác glutamat dehydrogenase

Cơ chế tạo axit glutamic của chủng Micrococcus glutamicus từ

nguồn cacbon là saccharit

a pyruvic tạo ra acetyl– CoA

• Tất cả các loại sacarit đều cho ta sản phẩm

Các yếu tố ảnh hưởng tới quy trình sản xuất

• Nguồn cacbon

• Nguồn nitơ

• Nhiệt độ

• Thực khuẩn thể

• Nguồn các chất điều hòa sinh trưởng

• Ảnh hưởng của hệ thống gió và khuấy

• Nguồn các chất điều hòa sinh trưởng

• Ảnh hưởng của hệ thống gió và khuấy

• pH

Nguồn cung cấp vật chất cho VSV trưởng thành và hình thành bộ khung của L-AG.

4 dạng nguồn cacbon

4 dạng nguồn cacbon

CồnAcid hữu cơ

Khi lên men rỉ đường cần thêm một số

chất kháng biotin như penicillin, acid béo

no C14-C18 với liều lượng và thời gian thích hợp.

• Cung cấp nguồn nito cho tổng hợp protein tế bào và

chiếm tới 9.5% trọng lượng phân tử acid glutamic.

• Sử dụng: NH4Cl, (NH4)2SO4, NH4H2SO4, NH3, ure.

 Dùng ure phải quan tâm tới nồng độ ban đầu và khả năng chịu đựng ure của mỗi giống.

 Dùng NH3 dưới dạng nước, khí hoặc ure.

 Lượng lớn ion NH4+ là điều cần thiết nhưng lại

không có lợi  để amoni thấp ở giai đoạn đầu và thêm dần về sau

Nguồn nitơ

• Đa số vi khuẩn sinh trưởng và tạo L-AG tốt ở 30-350C,

số ít ở 350C-360C, cá biệt ở 41-430C

• Khi tiến hành quá trình nuôi dưỡng chính ở 370C và nuôi dưỡng phụ ở 300C thì hiệu suất chuyển hóa là 15%

Nhiệt độ

• Yếu tố gây hại cho VK

• Nhạy cảm với các tác nhân vật lý và hóa học, thời gian làm quen của chúng: 30-50 phút

 Cho các chất giống thực khuẩn thể vào môi trường ngay

từ đầu để tạo khả năng thích nghi cho VK

• Luân canh giống 2-3 tháng một lần

Thực khuẩn thể

• Chất điều hòa sinh trưởng quan trọng nhất trong môi trường lên men L-AG là biotin.

• Để hiệu suất lên men L-AG cao, nồng độ biotin phải nhỏ hơn nồng độ tối ưu cần thiết cho sinh trưởng

• Biotin quyết định :sự tăng trưởng tế bào, cấu trúc

màng tế bào, cho phép L-AG thấm ra ngoài môi

trường hay không và có vai trò quan trọng trong cơ chế oxi hóa chất tạo nên L-AG.

Chất điều hòa sinh trưởng

• Có ý nghĩa vô cùng quan trọng.

• Nó nhằm hai mục đích:

 Duy trì nồng độ oxi hòa tan ở mức trên giá trị tới hạn

 Khống chế nồng độ CO2 ảnh hưởng rất lớn tới nồng độ sinh trưởng và tích lũy L-AG của các loại vi khuẩn

Hệ thống gió và khuấy

• pH tối ưu: trung tính hay hơi kiềm, tốt nhất là từ 6-8

• Ở môi trường saccharide  môi trường luôn có xu hướng trở nên acid  phải điều chỉnh quá trình lên men: bổ sung nguồn amon (NH4Cl, (NH4)2SO4, ure…) ổn định pH

pH

Quy trình sản xuất bột ngọt

Thủy phân Tinh bột Nước

Trung hòa

Ép lọc

Tách acid Glutamic

Lên men Trao đổi ion

Acid hóa acid Glutamic

Làm lạnh kết tinh

Trung hòa

Cô đặc

Bao gói Sấy

Tiếp mầm tinh

thể

Ly tâm Nuôi mầm

Dịch thãi

Nước cái

Sản phẩm

mì chính Tách acid

Glutamic

Thuyết minh về quy trình

Căn cứ vào dây chuyền sản xuất ta có thể chia ra

I Thủy phân tinh bột

Thuỷ phân tinh bột thành đường lên men được, chủ yếu là đường glucose theo phản ứng:

Có 3 phương pháp thủy phân tinh bột được sử dụng thông dụng nhất là:

• Thuỷ phân bằng enzym

• Thuỷ phân bằng H2SO4

• Thuỷ phân bằng HCl

Thủy phân bằng Enzyme

Dùng α- amilaza, β- amilaza của các hạt nảy mầm hay của nấm mốc để thuỷ phân tinh bột

Ưu điểm: không cần dùng hoá chất hay thiết bị chịu axit, chịu áp lực , không độc hại cho người và thiết bị

Nhược điểm:

• Đường hoá không triệt để tinh bột → vi khuẩn lên men không có khả năng sử dụng

• Thời gian đường hoá tương đối dài

• Hàm lượng đường sau khi đường hoá thấp → phải sử dụng thiết bị to, cồng kềnh

Thuỷ phân bằng H2SO4

 Ưu điểm: Việc trung hòa H 2 SO 4 còn dư sử dụng CaO rẻ tiền hơn so với NaOH hay Na2CO3, đồng thời tạo ra kết tủa → dịch đường trong.

Phản ứng trung hòa: CaO + H2SO4  CaSO 4 ↓ + H2O

 Nhược điểm: hiệu suất không cao.

Thuỷ phân bằng HCl

Nhược điểm: dùng thiết bị chịu axit ở nhiệt độ cao, áp suất cao, khi

trung hoà axit dư phải dùng Na2CO3 có tạo ra lượng muối nhất định ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy vi khuẩn:

2HCl + Na 2 CO 3  2NaCl + CO 2 + H 2 O

Hiện nay trong sản xuất hay dùng HCl để thuỷ phân tinh bột vì nó cho hiệu suất cao và thời gian thuỷ phân ngắn hơn do cường lực xúc tác

mạnh.

Thiết bị thủy phân tinh bột

Nồi áp lực hai vỏ

Thủy phân Tinh bột Nước

Trung hòa

Ép lọc

Tách acid Glutamic

Lên men Trao đổi ion

Acid hóa acid Glutamic

Làm lạnh kết tinh

Trung hòa

Cô đặc

Bao gói Sấy

Tiếp mầm tinh

thể

Ly tâm Nuôi mầm

Dịch thãi

Nước cái

Sản phẩm

mì chính Tách acid

Glutamic

II Trung hòa

Cho dung dịch đường sau thủy phân vào thiết bị trung hoà, cho dung dịch Na2CO3 30% vào để đạt pH = 4,8.

Cho than hoạt tính vào tẩy màu (khoảng 0,45 kg than cho 100kg tinh bột).

Than tẩy màu và giúp cho quá trình lọc dễ, dung dịch có màu trong sáng.

III Lên men

• Ngoài ra còn có những công đoạn phụ phục vụ cho quá trình lên men như: dây chuyền lọc khí, xử lý urê, xử lý dầu khử bọt

3 giai đoạn chính

Thiết bị lên men có bộ đảo trộn cơ học dạng sủi bọt

Nuôi cấy giống

Giống gốc → cấy truyền ra ống thạch nghiêng đời 1 → cấy truyền ra ống thạch nghiêng đời 2 → lên men bình lắc (giống cấp 1) → nuôi ở thùng tôn (giống cấp 2) → lên men chính (nồi lên men cấp 3).

Giống gốc → cấy truyền ra ống thạch nghiêng đời 1 → cấy truyền ra ống thạch nghiêng đời 2 → lên men bình lắc (giống cấp 1) → nuôi ở thùng tôn (giống cấp 2) → lên men chính (nồi lên men cấp 3).

Các nguồn chất chính để nuôi bảo đảm yêu cầu

trên:

Hợp chất cacbon: đường glucoza

Đạm vô cơ: urê

Hợp chất cacbon: đường glucoza

Đạm vô cơ: urê

Đạm hữu cơ

Các muối khoáng cần thiết

Các chất phát triển

• Môi trường thạch nghiêng : Pepton 1%; Cao

• Môi trường nhân giống cấp II: Đường glucoza 2000g; MgSO4 24g; H3PO4 60g; KOH; pH = 9; Nước chấm 300 ml; Rỉ đường 600g; Urê 480g; Dầu lạc 60 ml; B1 20 mg

Bảo quản giống

• Môi trường thạch nghiêng

• Kích thước ống nghiệm có mặt phẳng nghiêng φ15

• Ống nghiệm trước khi dùng, thanh trùng cẩn thận 120 0 C/ 0,5h Sau đó pha môi trường thạch vào ống.

• Cấy tiếp chủng vào mặt thạch, bảo quản trong tủ lạnh 3÷4 tháng Sau 3÷4 tháng, thuần hoá, bảo quản trong nito lỏng -84 O C.

Thuần hoá (Bảo đảm giống dùng trong sản xuất được khoẻ)

Lên men lớn (lên men cấp III)

Mục đích: thông qua hoạt động sống của vi khuẩn trong những điều kiện thích hợp để chuyển hoá đường glucoza và đạm vô cơ thành axit glutamic

Gồm 3 giai đoạn:

• Giai đoạn đầu: 8÷12 giờ, gọi là giai đoạn sinh khối

• Giai đoạn giữa: Từ giờ thứ 10, 12 đến giờ thứ 24, 26

• Giai đoạn cuối

ởng

Tế bào vi khuẩn

Kích thước cực

đại

Kích thước cực

đại

Giai đoạn đầu  (8-12h)

 Quá trình lặp lại cho đến khi lượng vi khuẩn đạt đến giá trị cực đại.

 Hàm lượng axit glutamic chưa có hoặc rất ít

 Nhiệt độ tăng vừa phải, pH tăng dần từ 6,5 ÷ 6,7 lên 7,5 ÷8

Thẩm

hia

Giai đoạn giữa:

• Giữ cho số tế bào không tăng thêm nữa hoặc tăng rất ít.

• Đường và đạm vô cơ thẩm thấu qua màng tế bào vi khuẩn

và các quá trình chuyển hoá bởi các men và các phản ứng như trên để tạo ra axit glutamic trong tế bào.

• Lượng axit glutamic tạo thành lại hoà tan vào các môi trường làm cho pH môi trường giảm dần, CO2 bay ra nhiều, bọt tăng ào ạt.

• Nhiệt độ tăng nhanh.

• Axit glutamic tăng nhanh từ 0 đến 30 ÷40 g/l

• pH giảm xuống còn dưới 7 nên phải tiếp urê để pH tăng lên