CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẤT TẠO NGỌT TỪ VI SINH VẬT

tìm hiểu và nghiên cứu các ứng dụng của vi sinh vật trong ngành công nghệ thực phẩm, đặt biệt là các ứng dụng vi sinh vật sản xuất chất tạo ngọt, xilytol, sorbitol, và một số ứng dụng khác trong ngành thực phẩm.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

TIỂU LUẬN MÔN: ỨNG DỤNG CNSH TRONG CNTP

ĐỀ TÀI CNSX CHẤT TẠO NGỌT TỪ VI SINH VẬT

NHÓM : 18

GVHD: NGUYỄN THỊ THU SANG

LỚP: CHIỀU THỨ 5, TIẾT 9-10

GVHD: NGUYỄN THỊ THU SANG Page 1

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN VỀ CHẤT TẠO NGỌT

1 Giới thiệu chung

Chất tạo ngọt là phụ gia thực phẩm, được sử dụng khá phổ biến trong công nghệ chế biến và bảo quản thực phẩm Chất tạo ngọt có nhiều lại ứng dụng với các cấu trúc và tính chất hóa học khác nhau

Đến nay, các nhà khoa học đã tìm thấy hàng trăm chất hóa học có khả năng tạo vị ngọt Chúng được chiết tách từ thực vật hoặc được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp Tuy nhiên, chỉ vài phụ chất được phép sử dụng trong công nghệ thực phẩm Tùy vào quy định của mỗi quốc gia, mà danh mục chất tạo ngọt cho phép sử dụng có thể khác nhau

Có nhiều phương pháp phân loại các chất tạo vị ngọt Các chất tạo vị ngọt có thể chia thành 2 nhóm: có giá trị dinh dưỡng và không có giá trị dinh dưỡng

GVHD: NGUYỄN THỊ THU SANG Page 4

Hỗn hợpĐơn giản

Hỗn hợpDisaccharide

Đường nghịch đảoSyrup thủy phân từ tinh bột

Xylitol,Sorbitol,Mannitol,Maltitol,

Glucose,Suryp được hydrogen hóa,

zin,SteviosideThaumatin

Glycyrrhi-SaccharineCyclamateAspartamesucralose

Khi sử dụng 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 đê người sử dụng có

thể cảm nhận và phát hiện được vị ngọt

 Độ ngọt tương đối: Thường được so sánh vớ độ ngọt của chất chuẩn – Saccharose Việc

xác định độ ngọt tương đối được thực hiện bằng cách so sánh tỷ lệ nồng độ chất tạo 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.

Khi tiến hành thực nghiệm xác định độ ngọt tương đối, người ta sử dụng dung dịch

chuẩn Saccharose 2.5% hoặc 10% (W/W).

Bảng 1: Phân loại chất tạo ngọt và độ ngọt tương đối của số chất tạo ngọt được sử dụng trong công nghệ thực phẩm (1989)

Bảng 2: Ngưỡng phát hiện của số chất tạo ngọt được sử dụng trong công nghệ thực phẩm (Moll,1991)

Như đã biết thì có tới hàng trăm chất hóa học có khả năng tạo vị ngọt Tuy nhiên, Hôm nay chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu chất tạo ngọt có tên gọi là xylitol

2 Xylitol

Xylitol là một loại đường được sử dụng như một chất làm ngọt Các tên xuất phát từ tiếng Hy Lạp: ξύλον, xyl [trên], "gỗ" + hậu tố -itol, được sử dụng để biểu thị rượu đường Xylitol được phân loại như một alcohol đa hoặc đường rượu (alditol) Xylitol có khoảng tạo ngọt như sucrose (đường ăn), với lượng calo ít hơn 33% Không giống như các chất ngọt tự nhiên hoặc tổng hợp khác, xylitol là tích cực có lợi cho sức khỏe răng miệng bằng cách giảm sâu răng (sâu răng) đến một phần ba trong sử dụng thường xuyên

và hữu ích để tái khoáng hóa Nhiều nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử đã chỉ ra rằng xylitol là có hiệu quả trong việc kích thích tái khoáng hóa ngày càng sâu lớp men khử khoáng Fair tìm thấy bằng chứng rằng xylitol (như nhai kẹo cao su, viên ngậm, xịt mũi, vv) làm giảm tỷ lệ mắc bệnh viêm tai giữa cấp tính ở trẻ em khỏe mạnh

Xylitol là tự nhiên được tìm thấy ở nồng độ thấp trong các sợi của nhiều loại trái cây

và rau quả, và có thể được chiết xuất từ hoa quả khác nhau, yến mạch, và nấm, cũng như chất xơ như vỏ ngô và mía bã mía, và bạch dương Tuy nhiên, bắt đầu sản xuất công nghiệp từ xylan (một hemicellulose) chiết xuất từ các loại gỗ cứng hoặc lõi ngô, được thủy phân thành xylose và xúc tác hydro hóa thành xylitol Một nghiên cứu ở chuột cho thấy rằng xylitol đã giảm hoặc tác dụng phụ không tồn tại so với các chất làm ngọt nhân tạo khác, và giá trị calo thấp và cariogenicity hơn sucrose

Hình 1: Cơ chế hình thành xylitol từ Xylose

• pH trong nước : 5 -7

• Nhiệt hòa tan : -34.8cal/g

• Năng lượng : 4.06cal/g

- hemixenluloze thuộc nhóm phoysaccarit phi xenluloza

- hemixenluloze là hỗn hợp của một số loại pholysaccarit khi thủy phân chủ yếu tạo ra một

số đồng phân lập thể thuộc heoza

- hemixenluloze gồm các pholysaccarit mà mạch phân tử có thể là homopolyme hoặc opolyme

- Các đơn vị mắt xích của các phoysaccarit hemixenluloza thường là vòng anhydro của các saccarit như D-xyloza, L-arabubiza

- Trong thành phần của một số phoysaccarit hemixenluloza còn liên kết với nhóm axetyl làm cho thành phần của hemizenluloza trở nên phức tạp hơn

b Lingin

Lingin là hợp chất cao phân tử có hoạt tính thơm Bộ khung của đơn vị mắt xích lignin

là phenyl propan

Các nhóm chức có ảnh hưởng lớn nhất đến tính chất của lignin là nhóm hydroxyl phenol, nhóm hydroxyl rượu benzolic và nhóm cacbonyl

Bảng 1: Bảng số lượng các nhóm chức của lingnin

(tính theo đơn 100 đơn vị phenylpropan)

Nhóm chứcMexytolHydroxyl phenol ( tự do)

139 – 158

3 - 13

Bảng 2: Thành phần gỗ brich thuỷ phân

Componnent Concentration

XyloseGlucoseRhamnoseMannoseGlactoseArabinose

110.03.13.53.41.51.6

37

25 – 382016

11

21 -281011

4

4 – 6-2

-

-Saha & Bothast (1999)Hespell (1998)Loathers (1996)Dien (1999)

• Nguồn Cacbon: Xylose, Glucose; Maltose; Galactose;

• Nguồn Nitơ: Muối amoni

• Nhiệt độ tối thích: 300C

• pH: 4.1 - 5.3

• Nhu cầu oxi: Vi sinh vật kỵ khí tuỳ tiện

• Hình thức sinh sản: Sinh sản hữu tính

• Candida guilliermondii là một loại nấm men có hình tròn hoặc bầu dục, kích thước

khoảng 2.0-4.0 x 3.0-6.5um

b. Tính chất:

• Nguồn Cacbon: Xylose, Glucose; Sucrose

• Nguồn Nitơ: Muối amoni

• Nhiệt độ tối thích: 300C

• pH: 3.5 -7

• Nhu cầu oxi: Vi sinh vật kỵ khí tuỳ tiện

• Hình thức sinh sản: Sinh sản hữu tính

•

•

II Quy trình lên men sản xuất xylitol

•Mục đích: chuẩn bị cho quá trình thủy phân.

•Phương pháp thực hiện: Dung dịch axid clohidric (hoặc axid sulfuric) và bã mía được phối trộn theo tỉ lệ HC1: bã mía khô là 10:1 Hổn hợp được trộn kĩ trong thùng quay

và được chuyển qua thiết bị trao đổi nhiệt

•Mục đích: dưới tác dụng axit các polysaccharide sẽ thủy phân thành monosaccharide

Trong đó, hemicellulose thủy phân thành xylose

•Thực hiện : Bán thành phẩm từ thiết bị trao đổi nhiệt ( hỗn hợp bã mía và dịch axid) được thủy phân thực hiện bằng nồi inox, ở đây, gia nhiệt bằng cách sục hơi nóng trực tiếp

Nhiệt độ được kiểm soát tương đối bằng cách điều chỉnh áp suất của nồi hơi trong quá trình thủy phân.

•Đối với phương pháp thủy phân lignocellulose bằng các tác nhân hóa học, người ta thường dùng các acid như H2SO4, HCl hoặc các kiềm như NaOH có điều kiện nhiệt độ và áp suất cao để phân cắt các thành phần polyme có trong lignocellulose thành các đường và các oligosacchride Trong các loại tác nhân trên thì H2SO4 được ưa dùng hơn cả vì phương pháp tiến hành đơn giản và hiệu quả cao Điều kiện thủy phân thường dùng là: nồng độ acid từ 0,25-12%, nhiệt độ từ 100-1250C trong thời gian 40-75 phút

•Năm 1973, người Đức đã xây dựng và đưa vào hoạt động một số nhà máy sản xuất cồn theo công nghệ thủy phân bằng acid đặc sử dụng acid clohydric Vào năm 1948, người Nhật đã phát triển cộng nghệ sử dụng acid sulfuric đặc và sản xuất ở quy mô thượng mại Công nghệ thủy phân bằng acid đặc được tiếp tục phát tiển dưới sự tài trợ của Bộ Nông Nghiệp Hoa Kỳ trong những năm thập niên 1940 và 1980

•Thiết bị thủy phân

•7 Lọc:

•Mục đích: thu dịch lọc chứa xylose

•Phương pháp thực hiện: sau khi thủy phân, dịch thủy phân được điều chỉnh về pH 4,5

bằng Ca(OH)2 , sau đó hỗn hợp được lọc lấy phần lỏng,quá trình này trích ly hoàn toàn

thành phần xylose của bã mía Sản phấm thủy phân được thu chứa khoảng 17-20 % xylose.

o B Quá trình trình sản xuất xylitol

 1 Nhân giống

•Mục đích : tạo giống cho sản xuất từ giống gốc

•Thực hiện : Phục hồi giống nuôi trong môi trường thạch nghiêng (40g/l malt ,15g/l agar) ủ ở nhiệt độ 300C 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 lên men cho sản xuất

 2 Lên men

• Mục đích : Quá trình trao đổi chất của vsv sẽ tăng sinh khối và sản phẩm (Xylitol)

•Thực hiên : môi trường sẽ được bơm vào thiết bị lên men ,tiếp theo giống được cho vào Oxy được bơm liên tục trong quá trình lên men

•Thông số công nghệ :

•- Nhiệt độ lên men : 28 - 320C, Ph = 4.5 - 5.5

•- Thời gian lên men : kết thúc khi xylose được sử dụng hoàn toàn ( 48h)

•- Tốc độ cánh khuấy :300-600rpm

•- Tốc độ oxy : hòa tan ở trong môi trường 0.1-5% của kk bão hòa

•Tiến hành bổ sung môi trường

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

•- Môi trường bổ sung : 1lit chứa 700g xylose và 100g glucozo , ngoài ra còn các chất dinh dưỡng

•- Tốc độ bổ sung :6.04g/l h Các yếu tố ảnh hưởng đến 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 tăng sản phẩm

• - Sự tạo thành ethanol trong quá trình trao đổi chất ,gây ức chế tế bào hoặc ức chế sản xuất sản phẩm

• Vậy cần có hàm lượng đường tối ưu

•Hàm lượng oxy và thế oxy hóa khử :

•- Hàm lượng oxy thay đổi thế oxy hóa khử thay đổi

•- Ảnh hưởng lên hiệu suất tạo sản phẩm (Xylitol)

•- Ảnh hưởng lên hiệu suất tạo ethanol

•Điểm oxy hóa khử tối ưu là :-100mv Để điều khiển thông số này ta dùng một cảm ứng thế oxy hóa , cảm biến sẽ thu nhận tín hiệu gửi về bộ phân điều khiển ,từ đó điều chỉnh vận tốc oxy phù hợp

•

T

bị

lên men bao gồm :

•- 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 trương lên men ,

•- Bộ chỉnh Ph : gồm 2 bình axit ,bazo.Bộ cảm biến Ph sẽ cho biết sự biến đổi của ph trong tiến trình lên men , và gửi tín hiệu lên bộ điểu khiển để chỉnh ph cho thich hợp

•- Bộ điều chỉnh nhiệt độ : 1binh nóng ,1 bình lạnh , điều khiển giống bộ điều chỉnh

ph

•-Hệ thống cung cấp oxy : gồm thiết bị lọc không khí (đảm không khí luôn sạch ,nếu không 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

•* Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình lên men xylitol nhờ vi sinh vật:

•Nồng độ xylose:

• Nồng độ xylose trong dịch men ban đầu có thể ảnh hưởng đến hàm lượng xylitol được tạo thành và hiệu xuất chuyển hóa xylose thành xylitol của vi sinh vật Tùy thuộc vào chủng và điều kiện nuôi cấy mà hàm lượng xylose tối ưu là khác nhau Việ tìm ra nồng độ xylose tối ứu trong lên men là một trong những khâu quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa Horitse và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ xylose lên quá trình tạo ra xylitol của vi sinh vật ở các nồng độ khác nhau từ 100g/l đến

300g/l/ kết quả đã tìm được nồng độ tối ưu của xylose đối với Candide tropicalis là 172 g/l, còn đối với C.guilliermondii là 15-60 g/l.

• Các loại đường khác nhau:

•Ngoài xylose, nồng độ các loại đường khác cũng có ảnh hưởng đến hiệu suất và nồng

độ xylitol được tạo thành trong canh trường Yahashi và cộng sự đã tiến hành bổ sung glucose vào môi trường len men xylitol đối với chủng C.tropicalis D-glucose được sử dụng nhanh hơn so với D-xylose trong pha sinh trưởng của tế bào Kết quả là việc thêm glucose vào môi trường lên men đã làm cho hiệu suất chuyển hóa xylitol của chúng tăng lên 1,2-1,3 lền so với không bổ sung glucose.Sau 32h lên men người ta đã thu hồi được 104,5 g/l xylitol với hiệu suất chuyển hóa là 0,82g/l Tuy nhiên, đối với các chủng giống khác nhau thì hiệu suất ảnh hưởng của glucose cũng khác nhau Đối với chủng C.guilliermondii thì thêm glucose vào môi trường lên men đã làm giảm hiệu suất tạo thành xylitol từ 0,66g/g xuống còn 00,45g/g Như vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của các loại đường khác đối với từng vi sinh vật được sử dụng là cần thiết để có thể đặt được hiệu suất chuyển hóa tối ưu

D-•Điều kiện nuôi cấy

• Điều kiện nuôi cấy và lên men như độ tuổi của giống, tỉ lệ tiếp giống, thành phần môi trường, thời gian, nhiệt độ lên men, mức độ sục khí cũng như pH của môi trường có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tạo thành xylitol Felipe và cộng sự đã tiến hành nghiên

cứu ảnh hưởng của các điều kiện nuôi cấy đối với chủng C.guilliermondii Nồng độ xylose trong dịch lên men thay đổi từ 37,6-74,3g/l, tỉ lệ tiếp giống 0,1-6g/l và độ tuồi của giống thay đồi từ 16-48h Với nồng độ xylose ban đầu là 54,5g/l và tỉ lệ tiếp giống là 3,0g/l, hiệu suất xylitol tối đa thu được là 0,74 g/g với năng suất 0,75 g/l/h.

•Nồng độ oxy trong môi trường cũng có ảnh hưởng đảng kể lên quá trình lên men của D-xylose bởi nấm men Mỗi một vi sinh vật sẽ có nồng độ oxi mà tại đó hiệu suất tạo xylitol

là cao nhất ( C.boidinii ở nồng độ oxi là 14mM/l/h tạo ra hiệu suất xylitol cao nhất 0,48g/g

theo những điều kiện nghiên cứu của Vandeska và cộng sự)

•Các chất ức chế

• Quá trình len men xylitol thường lấy nguyên liệu từ dịch thủy phân hemicellulose Quá trình thủy phân các nguyên liệu lignocellulose thường tạo ra các sản phẩm phụ như acid acetic, furfural, 5-hydroxymethylfurfural và các sản phẩm phụ khác được tạo ra do quá trình phân giải lignin Các sản phẩm phụ này có tính độc với nhiều loại

vi sinh vật và có ảnh hưởng không tốt đến quá trình lên men cũng như hiệu xuất chuyển hóa xylitol từ xylose của vi sinh vật Để giảm thiểu tác dụng độc của các hợp chất này người ta

đã tiến hành nhiều phương pháp khử độc khác nhau như acid hóa, trung hòa, cho bay hơi,

xử lý trao đổi ion và hấp thu bằng than hoạt tính Phương pháp hấp thu bằng than hoạt tính thường dùng và mang lại hiệu quả rõ rệt Để đạt được hiệu quả cao trong quá trình lên men, ngoài các phương pháp khử độc,, việc thích nghi các chủng giúp chúng làm quen với các chất độc có trong dịch thủy phân ở nồng độ cao cũng là phương pháp thường được áp dụng

để làm tăng hiệu suất chuyển hóa tạo thành xylitol từ dịch thủy phân các nguyên liệu giàu hemicellulose

•- Dịch sau lên men: sinh khối (nấm men ), đường sót (D-xylose), Xylitol , và một số chất khác

•- Mục đích : tách 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 cặn được giữ lại trên màng , ta thu được dịch trong

•- Thiết bị lọc khung bản

•Dịch trong thu được sẽ qua quá trình khử khoáng Phương pháp : trao đổi ion

•Sơ đồ hệ thống trao đổi ion

trong thu được bơm vào

thiết bị cô đặc , điều kiện

độ cao cô đặc dịch đường thành dạng siro với nồng độ đường 55-60% syro xylitol có màu vàng nhạt với vị ngọt đặc trưng

•-Thiết bị : thiết bị cô đặc chân không

để thu được sản phẩm bảo đảm tinh khiết Tinh thể có thể thu hồi và cho sản phẩm xylitol tinh thể thô với độ tinh khiết trên 95% Sản phẩm có vị ngọt mát và không có mùi

vị lạ

•

• Ly tâm thu hồi tinh thể, rửa tinh thể và sấy khô: Tuy nhiên, hình thức cảm quan

của sản phẩm không thật tốt, sản phẩm khó có thể sấy hoàn toàn (do một lượng nhỏ một chưa được kết tinh) Để có sản phẩm với độ tinh khiết cao hơn, sau khi kết tinh, tinh thể xylitol được thu hồi bằng cách ly tâm, rửa sạch bằng nước lạnh và sấy khô Phần nước rửa có thể được thu hồi, bổ sung vào mẻ sau và kết tinh lại Xylitol tinh khiết sau khi sấy khô được phân tích cảm quan, hàm lượng xylitol và chỉ tiêu vi sinh vật