Quy trình sản xuất sinh khối vi khuẩn lactic

tổng quan về vi khuẩn lactic, chi tiết quy trình sản xuất sinh khối trong công nghiệp, điều kiện, thiết bị và thông số công nghệ, ứng dụng trong sản xuất,Các vi khuẩn lactic được xếp chung vào họ Lactobacteriaccae. Mặc dù nhóm vi khuẩn này không đồng nhất về mặt hình thái (gồm vi khuẩn dạng que ngắn , que dài, vi khuẩn hình cầu) song về mặt sinh lí chúng lại tương đối đồng nhất.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Khoa Kỹ thuật Hóa học Chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm

Tiểu luận Công nghệ lên men

-CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

ACID LACTIC

CBGD : Lê Văn Việt Mẫn

SVTH : Phạm Hoàng Tiến Đạt - 61200847

Lê Nguyễn Phương Nhi - 61202583

Dương Yến Nhi - 61202578

Phan Hồng Đức - 61200847

TP HCM – 10/2015

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

A NGUỒN NGUYÊN LIỆU VI SINH VẬT 4

B QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 12

1 Sơ đồ quy trình công nghệ 12

2 Giải thích quy trình 13

II.1 Xử lý mật rỉ 13

Pha loãng sơ bộ 13

Xử lý dịch pha loãng 13

Ly tâm thu dịch trong: 14

II.2 Chuẩn bị môi trường 15

Nhu cầu dinh dưỡng của môi trường nuôi cấy 15

Nhu cầu Cacbon 16

Nhu cầu Nito 16

Nhu cầu vitamin 16

Nhu cầu về muối khoáng 16

Nhu cầu các hợp chất hữu cơ khác: 17

Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự phát triển của Vi khuẩn lactic 17

Nhiệt độ: Vi khuẩn lactic có thể phát triển tốt trong nhiệt độ từ 15-30 độ C gồm 17

II.3 Thanh trùng môi trường: 18

II.4 Nhân giống 19

2.5 Nuôi cấy 20

2.6 Ly tâm 23

2.7 Sấy thăng hoa 24

2.8 Đóng gói 26

2.9 Sản phẩm 27

C Ứng dụng 27

D TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

A NGUỒN NGUYÊN LIỆU VI SINH VẬT

I Nguyên liệu làm môi trường vi sinh vật

1. Vi khuẩn lactic

Các vi khuẩn lactic được xếp chung vào họ Lactobacteriaccae Mặc dù nhóm vi khuẩn này không đồng nhất về mặt hình thái (gồm vi khuẩn dạng que ngắn , que dài, vi khuẩn hình cầu) song về mặt sinh lí chúng lại tương đối đồng nhất

1.1 Đặc điểm:

- Là những trực khuẩn, cầu khuẩn Gram dương , không tạo thành bào tử , hầu hết không di động , hô hấp tuỳ tiện.Thu nhận năng lượng nhờ phân giải hidrat cacbon

và tiết ra acid lactic

- Vi khuẩn lactic là sinh vật kỵ khí không bắt buộc Do đó, trong thực tế khi nồng

độ oxygen thấp thì hoạt động sống được duy trì bình thường, nhưng điều này không bắt buộc luôn phải như vậy

- Một số đặc điểm quan trọng của acid lactic là có nhu cầu về chất sinh trưởng phức tạp Đa số trong chúng cần hàng lọat Vitamin( lactoflavin, tiamin, axit nicotinic, acit folic, biotin) và các acid amin , peptone , khoáng chất, thậm chí là peptide ngắn

- Không thể phát triển triển trên môi trường muối khóang thuần khiết chứa glucose

và ammonium(, NH4+)

- Hoạt động phân giải protein kém

- Có khả năng lên men nhiều loại đường đơn và đường đôi nhưng không thể lên men các loại glucid phức tạp và tinh bột

- Quá trình lên men xảy ra tốt nhất trong môi trường axit pH từ 4,5 ÷ 6,8 Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men từ 10 ÷ 50 0C Tuy nhiên, mỗi loài có khoảng nhiệt độ thích hợp khác nhau, nếu nhiệt độ lớn hơn 80 0C vi khuẩn lactic bị tiêu diệt hoàn toàn

1.2 Phân lọai:

 Nhóm vi khuẩn lên men đồng hình:

 Giống LACTOBALICILLUS: Là giống được sử dụng rộng rãi

- Có dạng hình que thẳng hay hơi cong

- Một số lên men hiếu khí chịu dưỡng và sử dụng oxy nhờ enzyme flavoprotein oxidase, một số lại kị khí bắt buộc Bào tử loài này kị khí tùy tiện, bộ phận còn lại thì lại kị khí bất buộc Chúng là phần chính của nhóm vi khuẩn acid lactic vì hầu hết thành viên của nó làm biến đổi lactose và các đường khác thành acid lactic

- Nhiệt độ phát triển thích hợp

o Loại ưa nóng: 40 đến 60 0C như Lactobacillus bulgaricus

o Loại ưa ấm: 28 đến 35 0C như Lactobacillus plantarum

- Sinh trưởng ở pH = 4,5 và cấu tạo đòi hỏi nhu cầu về dinh dưỡng phức tạp như amino acids, peptides, nucleotide bases, vitamins, khoáng chất, acid béo, và carbohydrates Trong cơ thể người chúng sống cộng sinh ở ruột non góp một phần nhỏ vào sự phân giải thực vật Nhiều loài dễ thấy ở những nguyên liệu thực vật thối rữa

Lactobacillus bulgaricum: được phân lập từ sữa chua của Bulgari vào năm 1905, do giáo sư

Grigorov phat hiện ra Chủng loại này có kích thước tế bào 5.1 0.8-1µm nhiệt độ phát triển

20-50oC, nhiệt độ cực thuận là 40-42oC Chúng có khả năng tích lũy 1.7% axit lactic Chủng này được sử dụng để sản xuất sữa chua xuất khẩu

Lactobacterium plantarum : là loài vi khuẩn lactic đồng hình ưa ấm Nhiệt độ thích hợp là 30oC Chúng có khả năng phân hủy nhiều loại đường, có khi phân hủy cả tinh bột, casein Chúng phân

bố rộng rãi trong tự nhiên, trên bề mặt các loại rau

Lactobacterium casei: Đây là những trực khuẩn rất ngắn gây chua sữa tự nhiên Yếm khí tuỳ

tiện, lên men tốt glucose, maltose, lactose tạo ra môi trường có từ 0,8 ÷ 1% axit lactic Ở điều kiện bình thường gây chua sữa trong vòng 10 đến 12 giờ Nguồn nitơ cho vi khuẩn này là peptone Nhiệt độ tối thiểu cho chúng phát triển là 10oC, tối ưu là 35oC và tối đa là 45oC, chúng thuỷ phân cazein và gelatin rất yếu

 Giống STREPTOCOCCUS:

khuẩn hoặc song cầu khuẩn

- Nhiệt độ phát triển thường thấp hơn Lactobacterium casei, tối ưu từ 25-30 oC Không sinh trưởng ở 10 oC nhưng lại sinh trưởng được ở 45 oC

đặc tính sinh học cũng như cấu tạo phân tử.Trong quá khứ, người ta phân lọai

Streptococcus bằng cách phân tích huyết thanh.

- Do sự ảnh hưởng to lớn của loài này đến công nghiệp, cả hai loài phụ của nó là lactis and

cremoris cũng được sử dụng rộng rãi.

 Giống PEDIOCOCCUS:

khuẩn hoặc dạng tứ cầu khuẩn được chia đối xứng qua một hoặc hai mặt phẳng Đại diện

là Pediococcus acidilactici, Pediococcus damnosus, Pediococcus dextrinicus,

Pediococcus parvulus và Pediococcus pentosaceu.

Pediococcus pentosaceus: có thể chịu được môi trường acid, không thể tổng hợp pothyrins và sở

hữu cơ chế chuyển hóa thành men hoàn toàn với acid lactic như là sản phẩm chuyển hóa cuối

quan trọng.P pentosaceus phát triển tại 40oC (50oC không phát triển), nồng độ pH dao động từ 4.5 đến 8, trong dung dịch NaCl 9-10%, thủy phân arginine, có thế sử dụng maltose và vài dòng

sản xuất ra “pseudo-catalase”.P.pentosaceus có thể được cô lập ra khỏi các nguyên liệu thực vật

và vi khuẩn tạo phômai Sinh vật này được sử dụng như là chất sản sinh môi trường acid trong

sự lên men của xúc xích, dưa chuột và đậu xanh, đậu nành…

 Lên men dị hình

 Giống LEUCONOSTOC:

chúng có dạng chuỗi cầu, nhưng trong môi trường acid tế bào dài ra và nhọn hai đầu Tất

cả loài vi khuẩn thuộc giống này đều lên men dị dưỡng (heterofermentative) và có thể

sản xuất dextran từ đường saccharose Chúng thường có dạng nhớt Leuconostoc là loại

vi khuẩn tồn tại nhiều trong tự nhiên, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp và lên men thực phẩm

- Leuconostoc mesenteroides là loài kị khí không bắt buộc, đòi hỏi các yếu tố sinh trưởng

phức tạp Chúng tồn tại trong thiên nhiên ở chủ yếu ở dạng hình tròn, tồn tại riêng rẽ hoặc từng cụm nhỏ, tuy nhiên hình dạng có thể thay đổi tùy theo điều kiện sinh trưởng, trong môi trường chứa nhiều glucose thì hình dạng có thể bị kéo dài ra hoặc biến thành hình que

- Trên bề mặt thực vật và xác thực vật đang bị phân giải hay có Lactobcillus plantanium, Lactobcillus delnikii, Lactobcillus ferment, Lactobacillus brevis, Streptococcus lactis Chúng còn được tìm thấy trên các loại rau quả, trái cây

- Trong ruột và các niêm dịch ở người và động vật có Lactobacillus acidophilus, Streptococcus faecalis, Streptococcus bovis, Streptococcus salivanius, Streptococcus pyogenes, Bifidobacterrium, Pneumococcus

2 Sinh khối của vi khuẩn lactic

2.1 Mục đích thu nhận sinh khối của vi khuẩn lactic

Trong thời gian trước đây mỗi cơ sở sản xuất có phương pháp và qui trình riêng để nhân giống

và bảo quản giống dùng cho sản xuất Khi cần sử dụng người ta sẽ tiến hành nhân giống qua nhiều giai đoạn theo nguyên tắc thu nhận một canh trường vi sinh vật thuần khiết Hiện nay một

số nhà máy chế biến thực phẩm và những nhà máy sản xuất các sản phẩm trao đổi chất từ vi sinh vật vẫn đang sử dụng phương pháp này nên giống vi sinh vật được xem là độc quyền sở hữu của mỗi nhà máy

Từ những năm 1980, trên thế giới phát triển mạnh một ngành công nghiệp mới, công nghiệp sản xuất và cung cấp giống vi sinh vật Các chế phẩm giống thương mại bao gồm đủ loại: vi khuẩn, nấm men, nấm sợi… Vi khuẩn lactic cũng không ngoại lệ, sinh khối vi khuẩn lactic được thu nhận, bảo quản và cung ứng cho ngành công nghiệp sản xuất các sản phẩm từ sữa

Chế phẩm giống thương mại có thể cấy trực tiếp vào môi trường lên men hoặc hoạt hoá chúng trên một môi trường dinh dưỡng trong một khoảng thời gian nhất định trước khi cấy

2.2 Các loại vi khuẩn lactic dùng trong sản xuất sinh khối

Quan trọng là sinh khối của vi khuẩn lactic lên men đồng hình: Streptococcus thermophiles; Lactobacillus bulgaricus; Streptococus lactic; Streptococcus cremoris; Lactobacillus acidophilus ; Nhóm vi khuẩn sinh hương

2.2.1 Lactobacillus acidophilus

- Thuộc trực khuẩn, có kích thước : rộng 0.6-0.9 µm, dài 1.5-6 µm

- Trong thiên nhiên chúng tồn tại riêng lẻ, đôi khi tạo thành những chuỗi ngắn, thuộc nhóm

vi khuẩn gram dương (+) và có khả năng chuyển động

- Có khả năng lên men glucose, fructose, galactose, mannose, maltose, lactose, saccharose

để tạo acid lactic

- Không có khả năng lên men xylose, arabinose, rhamnose, glycerol, mannitol, sorbitol, dulcitol, inocitol

- Trong quá trình lên men chúng tạo ra cả hai dạng đồng phân quang học của acid lactic

- Nhiệt độ phát triển tối ưu là 45C, pH 4-5

2.2.2 Lactobacillus bulgaricus

- Thuộc trực khuẩn có kích thước rất dài, liên kết với nhau tạo thành chuỗi, gram (+)

- Không có khả năng di chuyển

- Có khả năng lên men được các loại đường glucose, lactose, galactose

- Không lên men được xylose, arabinose, sorbose, dulcitol, mannitol, dextrin, inulin

- Không có khả năng tạo initrit từ nitrate

- Không phát triển được trong môi trường sữa chứa 0.01% methylen blue, môi trường máu chứa 10% mật

- Có khả năng lên men glucose, fructose,lactose, saccharose

- Nhạy cảm với các chất kháng sinh 0.01µg/ml tetracycline hay 0.1µg/ml chloremphen

2.2.4 Streptococcus cremoris

- Cầu khuẩn, trong thiên nhiên chúng tạo thành từng chuỗi rất dài, gram (+)

- Nhiệt độ thích hợp cho chúng phát triển là 30C

- Không phát triển được ở nồng độ NaCl 4%

- Khi lên men đường tạo ra acid acetic, CO2, diacetyl

- Có khả năng tạo ra những chất kháng khuẩn

2.2.5 Streptococcus lactic

- Thuộc chuỗi cầu khuẩn, gram (+)

- Nhiệt độ phát triển 10-45 độ C, tối thích ở 30-35 độ C

- Có khả năng chịu được nồng độ NaCl 4%

- Khi lên men đường glucose, maltose, lactose, xylose, arabinose, saccharose, trehalose, mannitol, salicin tạo ra acid lactic, CO2, acid acetic, diacetyl

- Không có khả năng lên men được raffinose, insulin, glycerol, sorbitol

2.3 Yêu cầu cho các vi sinh vật dùng trong sản xuất

Cùng với chất lượng môi trường, điều kiện lên men, các phương pháp thu nhận và tinh chế sản phẩm,giống vi sinh vật là khâu đầu tiên can phải quan tâm đặc biệt Giống vi khuẩn lactic dùng cho sản xuất phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Thích ứng nhanh, phát triển mạnh

- Khả năng sinh sản cao, chống chọi được với các điều kiện bất lợi

- Dễ dàng tách khỏi môi trường nuôi cấy

- Khả năng dễ bảo quản và bảo tồn được đặc tính di truyền trong suốt thời gian bảo quản

và sử dụng

- Thời gian lên men ngắn, hiệu suất cao

3 Mật rỉ

3.1 Đặc điểm

Mật rỉ là thứ liệu trong công nghệ sản xuất đường từ cây mía hay củ cải đường Trước đây mật rỉ

ít được sử dụng trong công nghệ vi sinh Sau này người ta thấy mậy rỉ có rất nhiều ưu điểm để tạo môi trường nuôi cấy vi sinh vật, đó là có hàm lượng đường cao; ngoài saccharose ra còn chứa rất nhiều chất hưu cơ, vô cơ, các chất thuộc vitamin và các chất kích thích sinh trưởng Tuy nhiên rỉ đường cũng có những đặc điểm không phù hợp với quá trình lên men cần phải xử

lý kĩ Các đặc diểm đó gồm:

- Màu nâu sẫm của rỉ đường khó bị phá hủy trong quá trình lên men Sau lên men chúng bám vào sinh khối và bám vào sản phẩm Việc tách màu ra khỏi sinh khối và sản phẩm thường rất tốn kém và khó khăn

- Hàm lượng đường khá cao (40%-50%) , chủ yếu là saccharose nên khi tiến hành lên men phải pha loãng với nồng độ thích hợp

- Đặc điểm gây khó khăn lớn nhất cho quá trình lên men là hệ keo trong mật rỉ Keo càng nhiều, khả năng hòa tan oxy càng kém và khả năng trao đổi chất của vi sinh vật càng kém Do đó việc quan trọng nhất khi sử dụng mật rỉ là phải phá hệ keo này

- Rất dễ bị vi sinh vật xâm nhập và phát triển Như vậy chất lượng mật rỉ cũng dễ thay đổi theo thời gian bảo quản

3.2 Thành phần hóa học

- Nước chiếm 15-20%, chất khô chiếm 80-85% Trong đó, có 60% là đường ( 40%

saccharose, 20% là fructose và glucose và 40% còn lại là chất phi đường)

- Trong thành phần phi đường có khoảng 30-32% hợp chát hữu cơ và 6-105 hợp chất vô

cơ Trong hợp chất vô cơ có:

K2O: 3,5% Fe2O3: 0,2% MgO: 0,1% Sulfat: 1,6% CaO: 1,5% SiO2: 0,5% P2O5: 0,2% Clorit: 0,4%

- Trong những hợp chất hữu cơ gồm có các hợp chất chứ nitơ và không chứ nitơ ở dạng amin như: acid aspactic, acid glutamic, leuin, izoleuxin Nito tổng số chiếm khoảng 0,3-0,5% ( ít hơn so với so với lượng nitơ có trong rỉ đường củ cải)

Bảng 2 : Thành phần vitamin trong rỉ đường mía

Các chất màu trong rỉ đường :

- Caramel: xuất hiện nhờ quá trình nhiệt phân saccharose kèm theo loại trừ nước và không chứa một chút nitơ nào Khi pH không đổi, tốc độ tạo chất caramen tỷ lệ thuận với nhiệt

- Melanin: được hình thành nhờ phản ứng oxy hóa khử các acidamin thơm nhờ xúc tác của enzym polyphenol oxydaza khi có mặt của oxy và Cu+2

- Các acid amin thơm thường bị oxy hóa là tiroxin và brenzcatechin Các melanin thường

bị loại hết ở giai đoạn làm sạch nước đường nên chỉ tìm thấy một lượng rất nhỏ trong rỉ đường

- Chất keo: được hình thành bởi potein và pectin Các chất này ảnh hưởng rất nhiều đến sự phát triển của vi sinh vật tạo thành màng bao bọc quanh tế bào, ngăn cản quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng và thải các sản phẩm trao đổi chất của tế bào ra ngoài Ngoài ra keo là nguyên nhân chính tạo ra một lượng bọt lớn trong môi trường nuôi cấy vi sinh vật, giảm hiệu suất sử dụng thiết bị

Các vi sinh vật:

Có rất nhiều vi sinh vật trong rỉ đường mía Đa số chúng có từ nguyên liệu, một số nhỏ

từ không khí, nước, đất vào dịch đường Loại nào chịu được tác dụng nhiệt hay tác dụng của hoá chất thì tồn tại Người ta chia rỉ đường thành 3 loại tuỳ theo số lượng vi sinh vật tạp nhiễm

II. Sản phẩm sinh khối

B QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

1 Sơ đồ quy trình công nghệ

Hình 1: Sơ đồ quy trình

2 Giải thích quy trình

II.1Xử lý mật rỉ

 Pha loãng sơ bộ

- Mục đích : chuẩn bị cho quá trình acid hóa

o Nguyên liệu sử dụng là mật rỉ đường vì rẻ tiền và dễ kiếm

o Pha loãng theo tỉ lệ nước : rỉ = 3:1, sau đó cho dung dịch này chạy qua than hoạt tính Than hoạt tính sẽ hấp thụ các chất màu và tạo các chất keo có trong mật rỉ, khi đó mật rỉ sẽ mau sáng hơn

o Vi sinh: nhiệt độ cao và pH thấp tiêu diệt vi sinh vật

- Cách thực hiện: Làm loãng mật rỉ đến nồng độ 15% chất khô, acid hóa môi trường bằng

H2SO4 đậm đặc với hàm lượng 5% so với khối lượng dung dịch H2S04 xem như một chất điều hòa pH, làm phá vỡ hệ keo, chuyển hóa đường saccharose thành đường nghịch đảo giúp quá trình lên men sau này diễn ra tốt hơn, sau đó đun dung dịch đến 90—95 độ C, trong 6h,sau đó tiến hành ly tâm thu dung dịch trong

6- Cửa thoát chất tải nhiệt;

7- Cửa vào của chất tải nhiệt;

8- Cửa ra của sản phẩm;

9- Cửa thoát chất tải nhiệt

Hình 2: Nồi phản ứng – máy trộn

Ly tâm thu dịch trong:

- Mục đích : chuẩn bị cho quá trình lên men

- Biến đổi:

o Vật lý: tách các chất bã , tạp chất giữ độ trong và giảm khối lượng riêng cho dung dịch

o Hóa học: các tạp chất bị loại bỏ, giữ lại các chất hòa tan cần thiết

o Hóa lý: tách pha rắn và pha lỏng riêng biệt

Thiết bị: Nạp huyền phù từ trên vào máy ly tâm lọc khi số vòng quay của rôto giảm, sau đó tăng số vòng quay đến trị số lớn nhất, vắt, rửa và lại vắt chất lỏng

HÌnh 3: Thiết bị ly tâm lọc

II.2Chuẩn bị môi trường

Môi trường dinh dưỡng là hỗn hợp các chất dinh dưỡng và các chất này có nhiệm vụ duy trì thế oxy hóa khử, áp suất thẩm thấu của tế bào và sự ổn định của pH trong môi trường Khi chuẩn bị môi trường nuôi cấy, cần chú ý các đặc điểm sau:

- Có đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết : Các chất dinh dưỡng là những hợp chất tham gia vào quá trình trao đổi chất nộibào

- Có độ pH thích hợp

- Có độ nhớt nhất định

- Không chứa các yếu tố độc hại

- Tuyệt đối vô trùng

 Nhu cầu dinh dưỡng của môi trường nuôi cấy

Vi khuẩn lactic đòi hỏi môi trường nuôi cấy phải có :