Sự biến đổi của axit glutamic trong quá trình chế biến còn phụ thuộc vàomột số các yếu tố khác như: chịu ảnh hưởng của các axit amin khác, các sảnphẩm phân huỷ của đường, các hợp chất có
Trang 1MỤC LỤC
Phần 1: Tổng quan về bột ngọt 5
I Khái quát về bột ngọt 5
1 Định nghĩa 5
2 Nguồn gốc 5
3 Tính chất 6
3.1 Tính chất lý học 6
3.2 Tính chất hóa học 7
3.3 Phản ứng mất nước 7
3.4 Phản ứng phân hủy ở nhiệt độ cao 7
4 Phân loại 8
4.1 Bột ngọt tự nhiên 8
4.2 Bột ngọt sản xuất 9
5 Vai trò 9
6 Tình hình sản xuất bột ngọt trên thế giới và Việt Nam 11
6.1 Tình hình sản xuất bột ngọt trên thế giới 11
6.2 Tình hình sản xuất bột ngọt ở việt nam 11
II Các phương pháp sản xuất bột ngọt 12
1 Phương pháp tổng hợp hóa học 12
2 Phương pháp thủy phân protide 13
3 Phương pháp lên men 13
4 Phương pháp kết hợp 14
Phần 2: Công nghệ sản xuất bột ngọt bằng phương pháp lên men 15
I Nguyên liệu sản xuất 15
1 Nguyên liệu sản xuất 15
1.1 Tinh bột sắn 15
1.2 Rỉ đường mía 16
1.3 Giống vi sinh vật 18
2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quy trình sản xuất 20
Trang 22.1 Nguồn cacbon 20
2.2 Nguồn nitơ 21
2.3 Nhiệt độ 21
2.4 Thực khuẩn thể 22
2.5 Nguồn các chất điều hòa sinh trưởng 22
2.6 Ảnh hưởng của hệ thống gió và khuấy 22
2.7 Ảnh hưởng của pH 22
3 Cơ chế lên men 23
3.1 Cơ chế lên men axit glutamic (L-AG): 23
II Dây chuyền công nghệ và thiết bị sản xuất bột ngọt 25
1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất bột ngọt 25
2 Giải thích quy trình 26
2.1 Công đoạn thủy phân tinh bột 26
2.2 Trung hòa 28
2.3 Công đoạn lên men 28
2.4 Công đoạn trao đổi ion 36
2.5 Tách acid glutamic 41
2.6 Công đoạn trung hòa kết tinh 42
2.7 Cô đặc kết tinh 44
2.8 sấy mì chính 46
2.9 Sàng mì chính và phân loại 46
2.10 Bao gói 47
3 Thiết bị sử dụng trong sản xuất mì chính 47
3.1 Thiết bị lên men có bộ đảo trộn cơ học dạng sủi bọt 47
Hình 8: Thiết bị lên men có bộ đảo trộn cơ học dạng sủi bọt 47
3.2 Thiết bị thủy phân tinh bột 48
3.3 Thiết bị lắng 49
3.4 Thiết bị li tâm 50
3.5 Thiết bị cô đặc 51
3.6 Thiết bị lọc khung bản 52
Trang 3Hình 14: Thiết bị lọc khung bản 52
3.7 Thiết bị sấy hồng ngoại 53
Phần 3: Thành phẩm bột ngọt 54
I Các tiêu chuẩn về sản phẩm bột ngọt 54
4 Tính hòa tan 54
5 Độ tinh khiết 54
6 Muối clorua: 54
7 Chì: 54
8 Kim loại năng: 54
9 Asen: 54
10 Tổng số vi khuẩn hiếu khí/g: 104 55
11 Coliform/g: 102 55
12 E.coli/g: 3 55
II Các sản phẩm hiện hành trên thị trường 55
1 Ajinomoto 55
2 Vedan 55
3 Miwon 56
4 A-One 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58
Trang 4BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC
Trang 5Bột ngọt (hay mì chính) có tên thường gọi Natri glutamat, tên tiếng anh làMonosodium Glutamate (viết tắt là MSG).
Tên quốc tế và cộng đồng châu Âu: INS 621, EEC 621
Tên hóa học: Monosodium L – glutamate monohydrat,muối monohydrat natri đơn của axit glutamic
Công thức: C5H8NO4Na
Trọng lượng phân tử: 187,13
2 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 mộtloại gia vị hảo hạn Vào thời ấy, hoạt chất của loại rong lá làm thức ăn có hương
vị đậm đà (do acid glutamic) chưa được nhận diện Vào năm 1980, nhà khoa họcRittenhausen ở Đức xác định thành phần các protein động vật, đặc biệt là thành
Hình 1: Cấu trúc phân tử và tinh thể bột ngọt
Trang 6phần các acid amin, trong đó có một acid amin với tên gọi là acid glutamic vàmuối natri của nó là glutamat natri.
Tuy nhiên, việc phát hiện ra hoạt chất có trong rong biển làm cho thức ăn cómùi vị ngon là do ông Ikeda Ông đã khám phá ra thứ hoạt chất trích từ rong biển
là monosodium glutamate, đây là một muối của acid glutamic Vào 21/4/1909,ông đã đăng ký paten số 9440 với nhan đề là " sản xuất chất liệu gây vị"
Năm 1909, Ông kết hợp với nhà kinh doanh có tên là Saburosuke Suzuki (làmột dược sĩ), họ đã chọn từ " Aji nomoto " làm tên cho sản phẩm của mình
"Aji" có nghĩa là nguồn gốc, "moto" có nghĩa là hương vị Đến năm 1933 sảnxuất bột ngọt tại Nhật đạt 4,5 triệu kg hàng năm
- Thuần độ mì chính là tỷ lệ % glutamat natri trong sản phẩm, hiện naythường sản xuất loại 80÷99%
- Hằng số vật lý:
+ Trọng lượng phân tử 187
+ Nhiệt độ nóng chảy 1950C
+ pH = 6,8 ÷ 7,2
+ Độ hoà tan: tan nhiều trong nước, nhiệt độ tăng độ hoà tan tăng
250C độ hoà tan là 74g/100ml nước;
Trang 760 C độ hoà tan là 112g/100ml nước;
800C độ hoà tan là 32 ÷ 340Be
+ Dung dịch 10% MSG trong suốt, không màu, giá trị pH khoảng 6,7÷7,2
3.1 Tính chất hóa học
– Công thức hoá học: C5H8NO4Na
– Công thức cấu tạo:
– Công thức hoàn chỉnh: C5H8NO4Na H2O
3.2 Phản ứng mất nước
Khi nhiệt độ lớn hơn 800C glutamat natri bị mất nước:
3.3 Phản ứng phân hủy ở nhiệt độ cao
Nung glutamat natri trong chén sứ ở nhiệt độ cao > 3500C:
Trang 8hydroglutamic trùng hợp với nhau tạo thành các hợp chất cao phân tử đặc quánh
và nâu sẫm
Đun nóng 1000C sau 1 giờ lượng axit glutamic bị mất đến 10,2%, sau 8 giờ
đã mất 46% Ở nhiệt độ 700C thì sau 1 giờ axit glutamic trong dung dịch chỉ mất1,5% và sau 8 giờ cũng chỉ mất đến 7,2% Đây là tính chất quan trọng để trongquá trình sản xuất mì chính người ta nghiêm cấm việc sử dụng nhiệt độ cao vàkéo dài thời gian trong khi sấy và cô đặc
Sự biến đổi của axit glutamic trong quá trình chế biến còn phụ thuộc vàomột số các yếu tố khác như: chịu ảnh hưởng của các axit amin khác, các sảnphẩm phân huỷ của đường, các hợp chất có 2 nhóm cacbonyl, các sản phẩmphân huỷ của chất béo, các gốc hydroxyl (OH), các tia bức xạ chiếu sáng…
- Các nhân tố ảnh hưởng chủ yếu dẫn đến sự biến đổi axit glutamic là nồng
độ, nhiệt độ, độ pH, sự chiếu sáng, các hợp chất hữu cơ, các peroxyt và các ionkim loại
- Các phản ứng cơ bản thường xảy ra là: sự khử cacboxyl, sự khử amin, sựoxy hoá, sự mất nước, phản ứng ngưng tụ ở nhóm amin và các phản ứng trùnghợp hình thành nên các hợp chất cao phân tử
4 Phân loại
4.1 Bột ngọt tự nhiên
Bột ngọt có sẵn trong các thực phẩm tự nhiên như thịt, cá, sữa (kể cả sữamẹ) và có trong nhiều loại rau quả như cà chua, đậu hà lan, bắp, cà rốt Trongkhoảng 100g cà chua hiện hữu 0,14g bột ngọt; 0,044g/100g thịt gà; 0,043g/100gtôm Cơ thể con người cân nặng từ 60g đến 70g, thì lượng prôtêin chiếm từ 14đến 17% trong đó có khoảng 1/5 là bột ngọt
Trang 9Hình 2: Bột ngọt tự nhiên có trong cà chua
Bột ngọt dạng tự nhiên tồn tại trong thực phẩm cũng như trong các tế bàodưới trạng thái độc lập không kết nối với các acid amin khác trong thành phầnprotein Khi trong trạng thái độc lập, bột ngọt mới có thể phát huy tác dụng tạohương vị đậm đà cho món ăn
4.2 Bột ngọt sản xuất
Mô tả: Bột kết tinh trắng không dính vào nhau, rời rạc, không mùi, tan dễdàng trong nước, tan vừa phải trong cồn MSG vừa có vị ngọt hoặc hơi mặn pHcủa dung dịch mẫu có tỷ lệ 1/20 giữa 6,7 và 7,2
Chức năng sử dụng trong thực phẩm: tăng vị Umami
Monosodium Glutamate (bột ngọt) là một loại phụ gia thực phẩm có tácdụng điều vị làm cho thực phẩm ngon và hấp dẫn hơn
Bột ngọt hiện nay được làm từ nguyên liệu thiên nhiên như tinh bột sắn vàmật mía đường bằng phương pháp lên men, một quá trình tương tự như sản xuấtbia, giấm, nước tương
5 Vai trò
Khi trung hòa acid glutamic chuyển thành glutamat natri (mì chính), kết tinh
có vị ngọt dịu trong nước, gần giống với vị của thịt Các nước Châu Âu chủ yếudùng mì chính để thay một phần thịt cho vào các hỗn hợp thực phẩm, xúp, 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 phẩmhấp dẫn hơn và L-AG được đưa vào cơ thể, làm tăng khả năng lao động trí óc vàchân tay của con người
Các nghiên cứu khoa học chỉ ra rằng, glutamate đóng vai trò quan trọngtrong cơ chế chuyển hóa chất bổ dưỡng trong cơ thể con người Trên thực tế cơ
Trang 10thể của mỗi người chứa khoảng 2kg glutamate được tìm thấy trong các cơ bắp,não, thận, gan và các cơ quan khác Lượng glutamate có trong cơ thể người ởdạng tự do và liên kết là khoảng 2000g
Lượng glutamate tự do có trong cơ thể người là 10g, trong đó:
Hình 3: Lượng glutamate trong cơ bắp, não, thận, gan và máu
Các nghiên cứu cũng cho thấy rằng glutamat tự nhiên có trong thực phẩm vàglutamat có nguồn gốc từ mì chính đều giống nhau Chúng được hệ thống ruộthấp thụ và tiêu hóa như nhau Một khi được tiêu hóa, cơ thể chúng ta không phânbiệt được đâu là glutamat từ thực phẩm hay từ mì chính Thực tế nghiên cứu chothấy rằng glutamat từ thực phẩm hay từ mì chính đều quan trọng đối với chứcnăng của hệ tiêu hóa
Trang 116 Tình hình sản xuất bột ngọt trên thế giới và Việt Nam
6.1 Tình hình sản xuất bột ngọt trên thế giới
Các nước sản xuất mì chính với sản lượng lớn nhất thế giới: Nhật, Mỹ, ĐàiLoan, Trung Quốc, Indonexia…
Bảng 1: Việc sử dụng mì chính ở một số quốc gia hàng đầu
về công nghiệp mì chính
Nước Xuất khẩu
(%)
Tạo hương (%)
6.2 Tình hình sản xuất bột ngọt ở việt nam
Kỹ thuật sản xuất mì chính đã vượt khỏi biên giới những nước sáng tạo ra nó
đi vào các nước có nhu cầu như Pháp, Canađa và nhiều nước khác ở khu vựcChâu á Thái Bình Dương, trong đó có Việt nam, 3 Công ty mì chính hàng đầuthế giới đã đầu tư sản xuất tại Việt nam gần 100000 tấn mỗi năm
Trước đây Việt nam đã có chương trình nghiên cứu để chủ động nắm vững
kỹ thuật sản xuất mì chính, nhưng lực lượng nghiên cứu còn nhỏ, vốn liếngthiếu, thiết bị thô sơ nên kết quả thu được có hạn Tuy vậy các nhà khoa họccũng đã có một số công trình có ý nghĩa Trong hai năm 1968 và 1970, Lê VănNhương và cộng sự đã thu thập được nhiều chủng vi sinh vật có khả năng sinhlizin và L-AG từ nước và đất ở vùng Hà Tây và Hà Nội, đây là nguồn gen thiênnhiên quí của Việt Nam
Năm 1972, Lương Đức Phẩm đạt được hiệu suất lên men 30-35g/lit L-AGkhi dùng vi khuẩn Brevibacterium Flavum lên men saccaroza hay rỉ đường ởphạm vi bình lắc
Trang 12Năm 1986,Nguyễn Thiện Luân và cộng sự đạt được hiệu suất lên men 45g/lit L-AG khi lên men trong môi trường glucoza 12% ở trong bình lắc.
37-Song các công trình nghiên cứu nói trên mới dừng ở mức phòng thí nghiệm
và hiệu suất lên men còn thấp Thực tế đòi hỏi những nghiên cứu sâu hơn làm cơ
sở khoa học cho việc tiếp thu kỹ thuật mới, thu thập thông tin đặt nền móng chosáng tạo công nghệ lên men L-AG từ các nguyên liệu mới
II Các phương pháp sản xuất bột ngọt
Hiện nay trên thế giới có 4 phương pháp sản xuất cơ bản:
Phương pháp tổng hợp hóa học
Phương pháp thủy phân protide
Phương pháp lên men
Phương pháp kết hợp
1 Phương pháp tổng hợp hóa học
Phương pháp này ứng dụng các phản ứng tổng hợp hóa học để tổng hợp nêncác axit glutamic và các aminoaxit khác từ các khí thải của công nghiệp dầu hỏahay các ngành khác
Ưu điểm: Phương pháp này có thể sử dụng nguồn nguyên liệu không phảithực phẩm để sản xuất ra và tận dụng được các phế liệu của công nghiệp dầuhỏa
2 Phương pháp thủy phân protide
Phương pháp này sử dụng các tác nhân xúc tác là các hóa chất hoặc fermen
để thủy phân một nguồn nguyên liệu protit nào đó (khô đậu, khô lạc…) ra mộthỗn hợp các aminoaxit, từ đấy tách các axit glutamic ra và sản xuất mì chính
Trang 13Ưu điểm: dễ khống chế quy trình sản xuất và áp dụng được vào các cơ sở thủcông, 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
3 Phương pháp lên men
Phương pháp này lợi dụng một số vi sinh vật có khả năng tổng hợp các acidamin từ các nguồn glucide và đạm vô cơ Phương pháp này có nhiều triển vọngphát triển ở khắp các nước, nó tạo ra được nhiều loại aminoacid như: acidglutamic, lizin, valin, alanin, phenylalanin, tryptophan, methionin…
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 NH4+ trong môi trường
có sục không khí
Điều kiện hiếu khí là rất quan trọng bởi vì nếu không được sục khí thì sảnphẩm tạo thành không phải là axit glutamic mà là lactat Khi sử dụng nguyênliệu lên men là rỉ đường thì cần phải bổ sung các chất kháng biotin để kiểm soát
sự sinh trưởng của vi sinh vật
Phương pháp này có nhiều ưu điểm nên đang được nghiên cứu và ứng dụng
ở nước ta và các nước trên thế giới
Ưu điểm:
Không sử dụng nguyên liệu protit
Không cần sử dụng nhiều hoá chất và thiết bị chịu ăn mòn
Trang 14 Hiệu suất cao, giá thành hạ.
4 Phương pháp kết hợp
Đây là phương pháp tổng hợp hóa học và vi sinh vật học
Phương pháp vi sinh vật học tổng hợp nên acid amin từ các nguồn đạm vô cơ
và glucide mất nhiều thời gian, do đó người ta lợi dụng các phản ứng tổng hợptạo ra những chất có cấu tạo gần giống với acid amin, từ nay lợi dụng vi sinh vậttiếp tục tạo ra acid amin
Phương pháp này tuy nhanh nhưng yêu cầu kỹ thuật cao, chỉ áp dụng vànghiên cứu chứ ít áp dụng vào công nghiệp sản xuất
Trang 15Phần 2: Công nghệ sản xuất bột ngọt
bằng phương pháp lên men
I Nguyên liệu sản xuất
1 Nguyên liệu sản xuất
Do vi sinh vật lên men sử dụng nguồn dinh dưỡng chủ yếu là các loại đườngnên nguyên liệu cho công nghệ lên men phải giàu gluxit như: tinh bột, rỉ đường,glucoza, sacaroza…
1.1 Tinh bột sắn
1.1.1 Thành phần và cấu tạo của tinh bột sắn
Tinh bột sắn được sản xuất trong quá trình chế biến củ sắn Có 2 loại sắn:sắn đắng và sắn ngọt khác nhau về hàm lượng tinh bột và xyanua Sắn đắng cónhiều tinh bột hơn nhưng đồng thời cũng có nhiều axit xyanhydric, khoảng 200-
300 mg/kg Sắn ngọt có ít axit xyanhydric và được dùng làm lương thực, thựcphẩm
Trong tinh bột sắn thường có các thành phần sau:
Trang 161.1.2 Thu nhận glucoza từ tinh bột sắn
Trong sản xuất công nghiệp người ta thường sử dụng dung dịch glucoza thủyphân từ tinh bột bằng axit hoặc enzyme
Phương pháp thủy phân bằng axit: có 2 loại axit là HCl và H2SO4.Dùng HCl thời gian thủy phân ngắn nhưng không tách được gốc axit ra khỏidung dịch Dùng H2SO4 thời gian thủy phân dài nhưng có thể tách gốc SO42-
ra khỏi dịch đường bằng cách dùng CaCO3 trung hòa dịch thủy phân
Phương pháp thủy phân bằng enzyme: Hai loại enzyme được dùngnhiều cho quá trình này la α-amylase và γ-amylase
α-amylase: phá hủy các mối liên kết α-1,4-glucozit của tinh bột để tạo
ra sản phẩm cuối cùng là maltose
γ-amylase: thủy phân mối liên kết α-1,4 và α-1,6-glucozit bắt đầu từđầu không khử trên mạch amylose và amylopectin, tạo ra sản phẩmcuối cùng là glucoza
1.2 Rỉ đường mía
Rỉ đường mía là một phụ phẩm của ngành sản xuất đường, là sản phẩm cuốicùng của quá trình sản xuất đường mà từ đó đường không còn có thể kết tinhđược nữa Số lượng và chất lượng rỉ đường phụ thuộc vào giống mía, điều kiệntrồng trọt, hoàn cảnh địa lý và trình độ kỹ thuật chế biến của nhà máy đường
Hình 5: Rỉ đường mía
Thành phần chính của rỉ đường: đường 62%; các chất phi đường 10%; nước20%
Trang 17- Nước trong rỉ đường gồm phần lớn ở trạng thái tự do và một số ít ở trạngthái liên kết dưới dạng hydrat.
- Đường trong rỉ đường bao gồm: 25-40% sacaroza; 15-25% đường khử(glucoza và fructoza); 3-5% đường không lên men được
- Các chất phi đường gồm các chất vô cơ và hữu cơ
Chất phi đường hữu cơ chứa nitơ của đường chủ yếu là axit amin cùngvới một lượng nhỏ protein và sản phẩm phân giải của nó
Các chất phi đường vô cơ là các loại muối tìm thấy trong thành phầntro của rỉ đường
Ngoài các nguyên tố kim loại và á kim, rỉ đường mía còn chứa nhiều nguyên
tố khác với lượng cực kỳ nhỏ chỉ có thể tính bằng mg/kg rỉ đường như: Fe, Ze,
Mn, Cu, Co, Mo
Rỉ đường mía rất giàu các chất sinh trưởng như: axit pantotenic, nicotin,folic, B1, B2 và đặc biệt là biotin
Có rất nhiều vi sinh vật trong rỉ đường mía Đa số chúng từ nguyên liệu, một
số nhỏ từ không khí, nước, đất và dịch đường Có thể phân chúng thành 3 loại: vikhuẩn, nấm men và nấm mốc Trong dó, vi khuẩn là nguy hiểm hơn cả vì nógồm nhiều giống sinh bào tử
1.2.1 Lực đệm của rỉ đường mía
Lực đệm là loại lực có sức tự ngăn cản sự biến đổi phản ứng của rỉ đườngkhi bổ sung kiềm hoặc axit Rỉ đường có tính đệm đặc trưng Bình thường pHcủa rỉ đường mía nằm trong khoảng 5,3-6,0 Trong quá trình bảo quản pH có thể
bị giảm do hoạt động của vi sinh vật tạp nhiễm tạo ra các axit hữu cơ
1.2.2 Một số phương pháp xử lý rỉ đường mía
Rỉ đường mía có màu nâu thẫm do được nấu và cô đặc nhiều lần, caramel vàmelanoit được tạo thành Màu này khó bị phá hủy trong quá trình lên men Saulên men chúng bám vào sinh khối vi sinh vật và sản phẩm Việc tách màu ra khỏikhối vi sinh vật và sản phẩm thường rất khó khăn và tốn kém Đặc điểm gây khókhăn lớn nhất cho quá trình lên men là hệ keo trong rỉ đường Keo càng nhiều thì
Trang 18khả năng hòa tan của oxy càng kém Do đó công việc quan trọng nhất khi sửdụng rỉ đường là phải phá hệ keo này.
Để giải quyết những đặc điểm không thuận lợi có trong rỉ đường đối với quátrình lên men, axit sunfuric đậm đặc được sử dụng với lượng 3,5kg cho một tấn
rỉ đường, có 3 cách thực hiện quá trình xử lý này:
Cách thứ nhất : cho 3,5kg H2SO4 vào một tấn rỉ đường, khuấy đều ở nhiệt
độ thường trong thời gian 23 giờ sau đó ly tâm thu dịch trong
Cách thứ hai : cho 3,5kg H2SO4 vào một tấn rỉ đường, duy trì 850C vàkhuấy liên tục trong 6 giờ, sau đó ly tâm thu dịch trong
Cách thứ ba : cho H2SO4 vào cho đến khi pH của rỉ đường đạt giá trị 4 thìđun nóng lên đến 120 -1250C trong một phút để các chất vô cơ kết tủa, sau
đó ly tâm thu dịch trong
Rỉ đường đã qua xử lý loại keo và màu được pha chế thành các loại môitrường có nồng độ đường khác nhau
1.3 Giống vi sinh vật
Đây là quá trình then chốt của toàn bộ quá trình lên men, sản phẩm làm ra cóđược như ý muốn của nhà sản xuất, có đảm bảo được các tiêu chuẩn khắc khe vềthành phần, độ tinh sạch, giá trị cảm quan phụ thuộc rất lớn vào khâu tuyểngiống
Kihoshita và các cộng sự đã thử 175 loài nấm mốc, 468 chủng nấm men, 372chủng vi khuẩn và 650 chủng vi khuẩn chỉ có 22% trong đó là có khả năng lênmen được L-A glutamic (L-AG) nhưng xét toàn diện thì đây là một con số rấtlớn, cung cấp đa dạng cho quá trình lên men Trong các chủng vi sinh vật kể trênthì xạ khuẩn có khả năng lên men cao nhất với 30%, vi khuẩn 20% và nấm mốc10% Tuy nhiên nếu xét qui mô, giá thành, cũng như khả năng ứng dụng vào sảnxuất thì vi khuẩn vẫn là sự lựa chọn số một vì:
Dễ nuôi cấy trên phòng thí nghiệm
Khả năng sinh sản nhanh hơn nhiều so với các vi sinh vật khác đápứng được các nhu cầu kỹ thuật, thời gian lên men được rút ngắn lại
Trang 19 Quá trình lên men được tiến hành dễ dàng.
Dễ gây đột biến tạo ra những tính năng có lợi cho sản xuất
Qua nghiên cứu cho thấy các chủng vi sinh vật tách ra từ thiên nhiên có khảnăng sinh tổng hợp axit glutamic cao có thể chia hai nhóm chính theo Kinoshita
và Tanaka (1972):
Loại vi khuẩn có khả năng tạo bào tử
Loại vi khuẩn không có khả năng tạo bào tử
Nhóm thứ nhất chỉ có các vi khuẩn thuộc loài Bacillus
Nhóm thứ 2 thuộc các loài: Micrococcus, Croynebacterium, Brevibacterium,
Arthrobacter và Microbacterium.
Hình 6: Vi khuẩn Corynebacterium glutamicum và loài Micrococcus
Trong công nghiệp quan trọng nhất là các vi khuẩn quan trọng thuộc nhómthứ 2 có khả năng tạo 30-50g/l axit glutamic từ 100g glucose Các loài vi khuẩnnày có chung những 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 có tiên mao không chuyển động được
Biotin là yếu tố cần thiết cho sinh trưởng và phát triển
Tích tụ một lượng lớn glutamic từ hydrat cacbon và NH4+ trong môitrường có sục không khí
Trang 202 Các yếu tố ảnh hưởng tới quy trình sản xuất
2.1 Nguồn cacbon
Đây là thành phần chính mà vi sinh vật sẽ hấp thu vào Nguồn cung cấp vậtchất cho vi sinh vật trưởng thành và hình thành bộ khung của L-AG Có 4dạng ngồn cacbon dùng lên men: cacbonhydrat, cacbuahydro, cồn và acid hữu
cơ Trong đó cacbonhydrat được sử dụng rộng rãi nhất Trong phòng thí nghiệm
có thể dùng glucoza, fructoza, saccharoza, mantoza, riboza và xyloza Trong lênmen công nghiệp, người ta thường được sử dụng các loại:
Dùng glucoza thủy phân từ tinh bột
Xenluloza thủy phân bằng acid hoặc enzyme
Rỉ đường mía
Khi lên men rỉ đường cần thêm một số chất kháng biotin như penicillin, acidbéo no C14-C18 với liều lượng và thời gian thích hợp Vì trong rỉ đường rất giàubiotin khi đó vi sinh vật sẽ phát triển rất mạnh và làm cho màng thấm của vikhuẩn dày lên L-AG không thể thấm ra ngoài Chất kháng biotin có vai trò làmcho việc tổng hợp màng không hoàn chỉnh giúp cho acid glutamic có thể thấm rangoài
Biotin kích thích vi khuẩn sinh trưởng và tích luỹ L-AG Khi đủ biotin vikhuẩn sinh trưởng vừa phải, diễn biến lên men êm dịu và L-AG tạo được nhiều.Khi thừa biotin vi khuẩn sinh trưởng rất mạnh mẽ, tiêu hao đường nhanh, sinhrất ít L-AG, thay vào đó là nhiều axit lactic, αxetoglutaric, sucxinic, aspactic vàalanin Khi thiếu biotin vi khuẩn sinh trưởng và tạo L-AG kém
Nồng độ cơ chất ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất sinh tổng hợp L-AG củagiống Nếu vượt quá giới hạn nồng độ đường cho vào càng cao thì hiệu suất lênmen càng thấp, hàm lượng L-AG nội bào càng cao, hoạt lực enzyme cần cho oxyhóa glucoza và a-xetoglutaric decacboxylaza càng cao Đối với các cơ chất khácnhư n-parafin, cồn và acid hữu cơ là những chất ức chế vi sinh vật ở nồng độcao
Trang 212.2 Nguồn nitơ
Cung cấp nguồn nitơ cho quá trình lên men là rất cần thiết, cần thiết cho việctổng hợp protein tế bào và chiếm tới 9.5% trọng lượng phân tử acid glutamic.Người ta thường sử dụng các loại muối như: NH4Cl; (NH4)2SO4; NH4H2SO4…hay khí NH3 hoặc ure làm nguồn cung cấp nitơ Tuy nhiên lượng lớn ion NH4+
có trong môi trường là điều cần thiết nhưng lại không có lợi cho sự phát triển của
vi khuẩn cũng như việc tích lũy L-AG Vì thế người ta để amoni thấp ở giaiđoạn đầu và thêm dần về sau Trong công nghiệp người ta thường dùng NH3dưới dạng nước, khí hoặc ure Chú ý khí dùng ure phải quan tâm tới nồng độ banđầu và khả năng chịu đựng ure của mỗi giống
2.3 Nhiệt độ
Đa số vi khuẩn sinh trưởng L-AG 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% và kéo theo sựchuyển hóa của acid lactic
2.4 Thực khuẩn thể
Thực khuẩn thể là yếu tố gây hại cho vi khuẩn, hầu hết các thực khuẩn thểphân lập được đều rất nhạy cảm với các tác nhân vật lý và hóa học, thời kỳ làmquen của các thực khuẩn thể rất ngắn chỉ khoảng 30-50 phút, để an toàn cho sảnxuất người ta cho các chất giống thực khuẩn thể vào môi trường ngay từ đầu đểtạo khả năng thích nghi cho vi khuẩn, đồng thời tiến hành luân canh giống 2-3tháng một lần
2.5 Nguồn các chất điều hòa sinh trưởng
Chất điều hòa sinh trưởng quan trọng nhất trong môi trường lên men L-AGnhờ các giống thiên nhiên là biotin Để hiệu suất lên men L-AG cao, nồng độbiotin phải nhỏ hơn nồng độ tối ưu cần thiết cho sinh trưởng Biotin quyết định
sự tăng trưởng tế bào, quyết định cấu trúc màng tế bào, cho phép L-AG thấm ra
Trang 22ngoài môi trường hay không và có vai trò quan trọng trong cơ chế oxi hóa chấttạo nên L-AG.
2.6 Ảnh hưởng của hệ thống gió và khuấy
Thông gió và khuấy trong lên men L-AG có ý nghĩa vô cùng quan trọng Nónhằm hai mục đích: thứ nhất duy trì nồng độ oxi hòa tan ở mức trên giá trị tớihạn, thứ 2 khống chế nồng độ CO2 ảnh hưởng rất lớn tới nồng độ sinh trưởng vàtích lũy L-AG của các loại vi khuẩn
2.7 Ảnh hưởng của pH
pH tối ưu cho sinh trưởng và tạo L-AG của các vi khuẩn sinh L-AG là trungtính hay hơi kiềm, tốt nhất là từ 6-8 Khi dùng môi trường saccharide, người taphải điều chỉnh quá trình lên men vì môi trường luôn có xu hướng trở nên acid
do sự điều chỉnh L-AG và các acid khác gây nên Để tránh tình trạng hụt giảm
pH do quá trình lên men gây ra, người ta thường bổ sung các loại hợp chất của
NH4+ như ure dưới dạng khí hoặc nước vào lên men
3 Cơ chế lên men
3.1 Cơ chế lên men axit glutamic (L-AG):
Theo nhiều nghiên cứu hiện nay, có rất nhiều nguồn để lên men L-AG từ cácchủng vi sinh vật, ví dụ như:
Nguồn glucoza: có chủng B flavum, M glutamicus, M.ammoniaphium, Corynebacterium glutamicum…
Nguồn axetat: có chủng M glutamicus, B flavus…
Nguồn benzoate: Brevibacterium sp
Nguồn n-alkan: Corynebacterium hydrocacboclastusTrong quá trình lên men, sinh ra các sản phẩm chính là L – AG và CO2.Ngoài ra còn có các sản phẩm phụ khác như: axit lactic, axit sucxinic, axit α-xetoglutaric, glutamin…
Phương trình tổng quát của quá trình tạo L – AG từ glucoza hay axetat và
NH được biểu diễn như sau:
Trang 23Glucoza + NH3 + ½ O2 L – AG + CO2 + 3H2O3Axetat + NH3 + ½ O2 L – AG + CO2 + 3H2O
Cơ chế tạo axit glutamic của chủng Micrococcus glutamicus từ nguồn cacbon là saccharit theo chu kỳ Embden – Mayerhaf
Sau đó từ a pyruvic tạo ra acetyl – CoA
Cuối cùng là từ acetyl – CoA tạo ra axit glutamic
Hình 7: Từ Acetyl – CoA tạo ra axit glutamic
Trang 24Tất cả các loại sacarit đều cho ta sản phẩm phản ứng là axit α – cetoglutaric.
Từ đó trong môi trường có nguồn N thì xảy ra phản ứng bởi các men để tạo raaxit glutamic như sau:
Ngoàiramộtsốaxit amin khác cũng được tạo thành từ các sản phẩm trung gian của quá trìnhphân hủy đường và là sản phẩm phụ của dung dịch lên men
Trang 25Lên 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
II Dây chuyền công nghệ và thiết bị sản xuất bột ngọt
1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất bột ngọt
Trang 262 Giải thích quy trình
Căn cứ vào dây chuyền sản xuất ta có thể chia ra 4 công đoạn chính như sau:
Công đoạn thủy phân tinh bột
Công đoạn lên men
Công đoạn trao đổi ion tách acid glutamic ra khỏi dịch lên men
Công đoạn trung hòa, tinh chế tạo glutamate natri tinh khiết
2.1 Công đoạn thủy phân tinh bột
Mục đích của công đoạn này là tạo điều kiện để thực hiện phản ứng thuỷphân tinh bột thành đường lên men được, chủ yếu là đường glucoza
Phản ứng xảy ra như sau:
(C6H10O5)n nC6H12O6
Để thực hiện phản ứng trên, người ta có thể tiến hành theo nhiều phươngpháp khác nhau và mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng,đáng chú ý nhất là 3 phương pháp sau:
2.1.1 Phương pháp thủy phân tinh bột bằng enzym
Người ta có thể dùng α- amilaza, β- amilaza của các hạt nảy mầm hay củanấm mốc để thuỷ phân tinh bột thành đường
Ưu điểm: là không cần dùng đến hoá chất hay thiết bị chịu axit, chịu áplực , không độc hại cho người và thiết bị
Nhược điểm là:
Đường hoá không triệt để tinh bột, mà ở dạng trung gian nhưdextrin làm cho vi khuẩn lên men mì chính không có khả năng sửdụng
Thời gian đường hoá tương đối dài
Hàm lượng đường sau khi đường hoá thấp, do đó phải sử dụng thiết
bị to, cồng kềnh
nH2O
Trang 272.1.2 Phương pháp thủy phân tinh bột bằng H 2 SO 4
Phương pháp này có ưu nhược điểm cơ bản là sau khi thuỷ phân việc trunghoà axit dư sau này không phải dùng Na2CO3 hay NaOH mà dùng CaO rẻ tiềnhơn, mặt khác sản phẩm của phản ứng trung hoà lại kết tủa làm cho dịch đườngtrong theo phản ứng:
CaO + H2SO4 CaSO4 ↓ + H2O
Đồng thời không tạo ra NaCl như dùng HCl Tuy vậy, hiệu suất thuỷ phânbằng H2SO4 thấp hơn dùng HCl, trong thực tế hay dùng HCl
2.1.3 Phương pháp thủy phân bằng HCl
Nhược điểm là: phải dùng thiết bị chịu axit ở nhiệt độ cao, áp suất cao, khitrung hoà axit dư phải dùng Na2CO3 có tạo ra lượng muối nhất định theo phản
ứng: 2HCl + Na 2CO3 2NaCl + CO2+ H2O
Hiện nay trong sản xuất hay dùng HCl để thuỷ phân tinh bột vì nó cho hiệusuất cao và thời gian thuỷ phân ngắn hơn do cường lực xúc tác mạnh, tuy khitrung hoà tạo ra một lượng NaCl trong dung dịch ảnh hưởng đến quá trình nuôicấy vi khuẩn
Quá trình thuỷ phân được tiến hành theo phản ứng và sơ đồ sau:
(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6Bột → Hoà nước và HCl → Thuỷ phân →Trung hoà →Tẩy màu
→ Dung dịch đường glucoza
Thường tỷ lệ bột/nước/axit HCl trung hoà theo tỷ lệ: 100/ 350/ 165 đượckhuấy đều
Thuỷ phân: Cho dung dịch vào nồi áp lực 2 vỏ, dung dịch tinh bột ở trong,hơi nước vào ở vỏ ngoài và nâng nhiệt độ nhanh lên 1380C trong khoảng 20 phútdưới áp lực 2,6 KG/cm2 Trong điều kiện này: Tinh bột → dextrin → mạch nha
→glucoza nhanh hơn
(C6H10O5)n+ nH2O n/2C12H22O11 n/2(C12H22O11) + nH2O nC6H12O6
HClHCl
Trang 28Nếu để thời gian dài sẽ sinh ra các phản ứng phụ có hại cho sản phẩm và làmhao tốn lượng đường khá lớn
Yêu cầu quá trình:
2.3 Công đoạn lên men
Đây là khâu có tính chất quyết định nhất đối với toàn bộ dây chuyền sảnxuất Trong công đoạn này có 3 giai đoạn nhỏ là: nuôi giống cấp I, giống cấp II
và lên men lớn Ngoài ra còn có những công đoạn phục vụ cho quá trình lên mennhư: dây chuyền lọc khí, xử lý urê, xử lý dầu khử bọt
Các khâu sẽ lần lượt được nghiên cứu như sau: