Nghiên cứu chuyển hóa saccharose thành FOS và tinh sạch FOS bằng phương pháp lọc nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THỊ HỒNG ÁNH NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA SACCHAROSE THÀNH FRUCTOOLIGOSACCHARIDES (FOS) VÀ TINH SẠCH FOS BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC NANO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THỊ HỒNG ÁNH NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA SACCHAROSE THÀNH FRUCTOOLIGOSACCHARIDES (FOS) VÀ TINH SẠCH FOS BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC NANO Chuyên ngành: Chế biến thực phẩm và đồ uống Mã số chuyên ngành: 62540201 Phn bin đc lp 1: PGS. TS Nguyễn Thị Xuân Sâm Phn bin đc lp 2: PGS. TS Lý Nguyễn Bình Phn bin 1: GS. TSKH Lưu Duẩn Phn bin 2: PGS. TS Nguyễn Tiến Thắng Phn bin 3: PGS. TS Mai Thanh Phong NGƯI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Đống Thị Anh Đào 2. TS. Nguyễn Hữu Phúc i LỜI CAM ĐOAN Tc gi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu ca bn thân tc gi. Cc kết qu nghiên cứu và cc kết lun trong lun n này là trung thực, và không sao chp t bt cứ mt nguồn nào và dưi bt k hình thức nào. Vic tham kho cc nguồn tài liu đã đưc thực hin trch dn và ghi nguồn tài liu tham kho đúng theo yêu cu. Tc gi lun n Lê Thị Hồng Ánh ii TÓM TT LUN ÁN Sn xut prebiotic và bổ sung prebiotic vào thực phẩm là xu hưng nổi bt ca cc nghiên cứu trong lĩnh vực công ngh thực phẩm hin nay trên toàn thế gii. Mt trong những prebiotic đã và đang đưc quan tâm nhiều là Fructooligosaccharides (FOS). Chnh vì vy, vic nghiên cứu sn xut FOS có đ tinh khiết cao, phù hp vi tiêu chuẩn chế biến thực phẩm t nguồn nguyên liu trong nưc tht sự là vn đề cn quan tâm và pht triển. Để góp phn gii quyết vn đề trên, lun n tiến hành nghiên cứu cc yếu tố nh hưởng, đng học phn ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme Fructosyltransferase (FTS) và nghiên cứu nâng cao đ tinh khiết ca FOS bằng phương php lọc nano. Lun n đã đạt đưc mt số kết qu chính như sau: 1) Kết quả nghiên cứu lý thuyết  Xây dựng đưc mô hình đng học phn ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS.  Xc định đưc quy lut nh hưởng ca mt số thông số công ngh đến kh năng phân riêng monosaccharides, saccharose, FOS bằng màng lọc nano và đề xut phương n lọc tun hoàn kết hp pha loãng để nâng cao đ tinh khiết ca FOS. 2) Kết quả nghiên cứu thực nghiệm  Đã xc định cc thông số đng học ca enzyme FTS bằng phương php gii thut di truyền, giúp gim thiểu số th nghim, thời gian và chi ph khi nghiên cứu đng học phn ứng enzyme, đặc bit trong trường hp phn ứng có nhiều cơ cht.  Xây dựng đưc phương trình hồi quy thực nghim mô t nh hưởng ca nhit đ, pH, nồng đ saccharose ban đu và tỷ l enzyme đến hiu sut chuyển hóa saccharose thành FOS, t đó xc định đưc điều kin tối ưu cho qu trình tổng hp FOS. iii  Đã tối ưu hóa cc thông số công ngh ca qu trình lọc nano bằng phương php vùng cm và lựa chọn chế đ lọc tun hoàn thch hp để nâng cao đ tinh khiết ca FOS đến 86,7%. Những kết qu trên bưc đu đã tạo tiền đề cho vic triển khai công ngh, ứng dụng vào thực tế, đồng thời là nguồn tham kho tin cy cho những nghiên cứu tiếp theo trong cùng lĩnh vực. iv ABSTRACT OF THESIS Nowadays, producing prebiotic and supplement prebiotic in food products is considered a worldwide prominent trend in food technology. One of the most important prebiotics that has gotten interest is Fructooligosaccharides (FOS). Hence, the study of producing high purity for FOS that can meet the food processing standards from domestic materials must obviously be put into consideration. In order to solve the above issue, this dissertation aims to study the influencing factors, the kinetics of FOS synthesis from sucrose using Fructosyltransferase enzyme (FTS), and the improvement of purity for FOS by nanofiltration. The major results are found as follows: 1) Theoretical results  A kinetics model of FOS synthesis from sucrose using FTS enzyme was performed.  Rules of main factors influencing of some technological parameters on the separation of monosaccharides, saccharose and FOS by nanofiltration were determined and the technique of diafiltration to enhance the purity of FOS was also proposed. 2) Experimental results  The kinetic parameters of FTS enzyme by genetic algorithm method were determinated. The result helped reduce the quantity of experiments, time and cost related to study of kinetics of FTS enzyme, especially in case of multiple substrates.  The regression equation which stimulates the effects of temperature, pH, initial sucrose concentration and rate of enzyme on the performance of transforming saccharose into FOS was established, from which the optimum conditions of FOS synthesis was proposed.  Main parameters of nanofiltration process were optimized by restricted area method. Moreover, the optimum diafiltration mechanism was also set to increase the purity of FOS to 86.7%. v These results have established beginning steps for the application of new technology into practice. In addition, results found in this dissertation would be useful reference for coming research in the same field. vi LỜI CẢM ƠN Lun n đưc hoàn thành là kết qu sự nỗ lực ca bn thân cùng những giúp đỡ, đng viên tinh thn ca cc thy, cô, gia đình, đồng nghip, bạn bè. Vi tt c sự chân thành, tôi xin trân trọng cm ơn PGS.TS Đống Thị Anh Đào đã tn tình hưng dn, nâng bưc tinh thn cho tôi trong suốt thời gian va qua; xin cm ơn TS. Nguyễn Hữu Phúc đã giúp đỡ, góp ý cho lun n. Tôi muốn gửi lời cm ơn sâu sắc đến gia đình b nhỏ đã tạo điều kin cho tôi nghiên cứu, yên tâm làm vic, cm ơn cc con Vĩnh Liêm, Viên Phương và Thục Khuê đã mang lại niềm vui và nhit tình cho mẹ. Đặc bit, cm ơn người bạn Như Nguyn đã st cnh nghiên cứu cùng tôi, tng ngày tng ngày, dù đã ở tht xa, vn luôn hỗ tr và đng viên tôi hoàn thành lun n này. Tôi cũng xin cm ơn Khoa Kỹ thut Hóa học – Trường Đại học Bch khoa, tp thể đồng nghip khoa Công ngh thực phẩm – Trường Đại học Công nghip thực phẩm TP.HCM đã giúp đỡ và chia sẻ vi tôi trong thời gian va qua. Leâ Thò Hoàng AÙnh vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TM TT LUN N ii ABSTRACT OF THESIS iv LỜI CẢM ƠN vi MỤC LỤC vii DANH MỤC CC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC CC BẢNG BIU x DANH MỤC CHỮ VIẾT TT xii MỞ ĐẦU 1 1. TỔNG QUAN, HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG CHÍNH 4 1.1. FOS và prebiotic 4 1.2. Cc phương php tổng hp FOS t saccharose 8 1.3. Đng học phn ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS 14 1.4. Cc phương php nâng cao đ tinh khiết ca FOS 19 1.5. Ứng dụng phương php gii thut di truyền (GA - Genetic Algorithm) vào bài ton tìm kiếm và tối ưu 30 1.6. Những vn đề tồn tại trong công ngh sn xut FOS 32 1.7. Hưng nghiên cứu và ni dung nghiên cứu ca lun n 33 2. NGUYÊN VT LIỆU, HA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHP NGHIÊN CỨU 36 2.1. Nguyên liu 36 2.2. Hóa cht 36 2.3. Màng lọc nano 37 2.4. Thiết bị 39 2.5. Phương php nghiên cứu 40 2.6. Phương pháp phân tích 41 viii 3. NGHIÊN CỨU CC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYN HA SACCHAROSE THÀNH FOS BẰNG ENZYME FTS THU NHN TỪ ASPERGILLUS FLAVIPES 43 3.1. Tổng hp FOS t saccharose bằng enzyme FTS 43 3.2. Nghiên cứu cc yếu tố nh hưởng đến qu trình tổng hp FOS t saccharose bằng enzyme FTS 44 3.3. Nghiên cứu đng học phn ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS thu nhn t Aspergillus flavipes 51 3.4. Đnh gi mức đ tương thch ca mô hình ton học đã xây dựng vi thực nghim 69 3.5. Kết lun 71 4. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ TINH KHIẾT CỦA FOS BẰNG PHƯƠNG PHP LỌC NANO 72 4.1. Nghiên cứu lựa chọn màng lọc nano để tinh sạch FOS 72 4.2. Nghiên cứu cc yếu tố nh hưởng đến kh năng loại bỏ glucose, fructose và saccharose ra khỏi dung dịch FOS sau tổng hp bằng phương php lọc nano 74 4.3. Nghiên cứu nh hưởng ca phương thức pha loãng trong qu trình lọc nano đến đ tinh khiết và hiu sut thu hồi FOS 99 4.4. Kiểm tra cht lưng, xc định tổng hiu sut thu hồi sn phẩm FOS 85% 111 4.5. Kết lun 113 5. KẾT LUN VÀ KIẾN NGHỊ 114 5.1. Kết lun 114 5.2. Kiến nghị 115 6. CC TÀI LIỆU CÔNG BỐ CỦA TC GIẢ 116 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 [...]... hướng nghiên cứu và nội dung chính (32 trang)  Chương 2: Nguyên vật liệu, hóa chất, thiết bị và phương pháp nghiên cứu 2 (07 trang)  Chương 3: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme fructosyltransferase (FTS) thu nhận từ Aspergillus flavipes (29 trang)  Chương 4: Nghiên cứu nâng cao độ tinh khiết của FOS bằng phương pháp lọc nano. .. khiển quá trình tổng hợp FOS (2) Nghiên cứu nâng cao độ tinh khiết của FOS bằng phương pháp lọc nano, khẳng định tính ưu việt của phương pháp này so với các phương pháp truyền thống như lên men, enzyme 1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: (1) Đã nghiên cứu một cách có hệ thống về công nghệ sản xuất FOS, bao gồm cả chuyển hóa tạo FOS và tinh sạch đến độ tinh khiết 86%, phù hợp... thành FOS bằng enzyme FTS 1.3.1 Cơ chế phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS Phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS rất phức tạp Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu về cơ chế của phản ứng chuyển hóa này nhưng cho đến nay vẫn chưa có kết quả thống nhất Hầu như các cơ chế phản ứng đã công bố đều dựa trên 3 phản ứng chuyển hóa (1.1), (1.2), (1.3) do Jung và cộng... (1.11) 1.3.2 Các nghiên cứu về động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS Các nghiên cứu về động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS thường bao gồm hai phần:  Xác định điều kiện tối ưu (pH, nhiệt độ) và các thông số động học của enzyme (Km, Ki, Vmax)  Xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình chuyển hóa dựa vào cơ chế phản ứng và động học... độ tinh khiết của FOS Vì thế muốn thu được FOS có độ tinh khiết cao (FOS cao độ) hoặc FOS tinh khiết, cần phải tách bỏ hoặc chuyển hóa lượng glucose, fructose và saccharose trong dung dịch sau tổng hợp [25] Đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới về việc nâng cao độ tinh khiết của FOS bằng các phương pháp khác nhau, trong đó có thể chia thành 2 nhóm chính: phương pháp sinh hóa học (phương. .. pháp lên men, phương pháp enzyme) và phương pháp vật lý (phương pháp sắc ký lọc gel, phương pháp lọc nano) 1.4.1 Các phương pháp sinh hóa học 1.4.1.1 Phương pháp lên men Phương pháp này được thực hiện thông qua việc sử dụng vi sinh vật, thường là nấm men, để lên men saccharose, glucose, fructose có trong dung dịch FOS sau tổng hợp Quá trình lên men bằng vi sinh vật để loại bỏ saccharose, ... men bằng vi sinh vật, có thể tiến hành chuyển hóa glucose bằng enzyme GOD đồng thời hoặc sau khi tổng hợp FOS phổ thông bằng enzyme FTS Việc sử dụng đồng thời enzyme FTS và GOD cho hiệu quả tốt do tác nhân ức chế hoạt động của enzyme FTS là glucose sẽ được chuyển hóa ngay bằng enzyme GOD, nhờ đó enzyme FTS lại tiếp tục hoạt động hiệu quả để chuyển hóa saccharose thành FOS Theo nghiên cứu. .. ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS thông qua mô hình động học và dữ liệu thực nghiệm Các kết quả thu được có ý nghĩa như những bước khai phá ban đầu để các nhà khoa học công nghệ khác tham khảo khi nghiên cứu về lĩnh vực này (2) Đã xác định được các thông số công nghệ tối ưu và xây dựng mô hình toán học mô tả động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng. .. triển công nghiệp hóa dược đến năm 2020 (quyết định số 61/2007/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ ký ngày 7/5/2007) Do đó, việc nghiên cứu quá trình chuyển hóa saccharose thành FOS và tinh sạch để thu được FOS có độ tinh khiết cao (>75%), từ nguyên liệu sẵn có trong nước, thay thế FOS nhập ngoại, là vấn đề thực sự cần thiết, có ý nghĩa khoa học, có giá trị thực tiễn và tính xã hội cao... phẩm Neosugar G có độ tinh khiết của FOS đạt 60% w/w) và FOS cao độ (sản phẩm Neosugar P có độ tinh khiết của FOS đạt 95% w/w) Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống sản xuất FOS phổ thông (Neosugar G) và FOS cao độ (Neosugar P) sử dụng phương pháp lọc gel [3] 1.2.2.2 Sử dụng enzyme cố định Các nghiên cứu về cố định enzyme và ứng dụng trong tổng hợp FOS đã được thực hiện với nhiều loại enzyme từ nguồn . HỒNG ÁNH NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA SACCHAROSE THÀNH FRUCTOOLIGOSACCHARIDES (FOS) VÀ TINH SẠCH FOS BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC NANO Chuyên ngành: Chế biến thực phẩm và đồ uống Mã số. TINH KHIẾT CỦA FOS BẰNG PHƯƠNG PHP LỌC NANO 72 4.1. Nghiên cứu lựa chọn màng lọc nano để tinh sạch FOS 72 4.2. Nghiên cứu cc yếu tố nh hưởng đến kh năng loại bỏ glucose, fructose và saccharose. hành nghiên cứu cc yếu tố nh hưởng, đng học phn ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme Fructosyltransferase (FTS) và nghiên cứu nâng cao đ tinh khiết ca FOS bằng phương php lọc