Tiểu luận: Công nghệ sản xuất chất tạo ngọt từ vi sinh vật

Chất tạo ngọt: Là phụ gia tạo vị ngọt,chúng được thêm vào thực phẩm như chất thay thế đường. Được sử dụng khá phổ biến trong công nghệ chế biến và bảo quản thực phẩm. Đến nay, các nhà khoa học đã tìm thấy hàng trăm chất hóa học có khả năng tạo nên vị ngọt. Chúng được chiết tách từ thực vật hoặc được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp . Tuy nhiên chỉ vài chục chất được phép sử dụng trong công nghệ thực phẩm. Tùy theo quy định của mỗi quốc gia mà danh mục các chất tạo ngọt được phép sử dụng có thể khác nhau. Các nhà khoa học vẫn đang nổ lực tìm kiếm những chất tạo ngọt mới với các đặc tính kỹ thuật ưu việt hơn để được sử dụng trong sản xuất một số loại thực phẩm chức năng.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM BÁO CÁO TIỂU LUẬN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẤT TẠO NGỌT TỪ VI SINH VẬT GVHD: NGUYỄN THỊ THU SANG THỨ TIẾT 7-8 NHÓM THỰC HIỆN: NHÓM 18 DANH SÁCH NHÓM STT HỌ VÀ TÊN Đỗ Thiên Hương Trần Thị Thu Huyền Nguyễn Hoàng Khải Nguyễn Thị Quỳnh Như MSSV 2006120161 2006120220 2006120098 2006120177 Tp.Hồ Chí Minh, tháng năm 2015 MỨC ĐỘ HỒN THÀNH CƠNG VIỆC CỦA CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM STT HỌ VÀ TÊN Đỗ Thiên Hương Trần Thị Thu Huyền Nguyễn Hoàng Khải Nguyễn Thị Quỳnh Như MSSV MỨC ĐỘ HOÀN THÀNH 2006120161 100% 2006120220 100% 2006120098 100% 2006120177 100% LỜI NÓI ĐẦU Xylitol loại chất tạo thuộc nhóm polyol Xylitol sử dụng chất tạo thực phẩm kể từ thập niên 1960 Nó sử dụng rộng rãi chất thay đường cát vai trò việc giảm phát triển sâu Xylitol có nguồn gốc thiên nhiên từ nhiều loại rau quả: trấu ngơ, yến mạch, nấm…Nó có độ tương đương Saccharose với vị khơng gây hậu vị khó chịu miệng cung cấp 2/3 lượng calories tương ứng Hiện việc tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có để sản xuất xylitol phục vụ nhu cầu sử dụng ngày phát triển Nó giúp tận dụng nguyên liệu rẻ tiền phục vụ nhu cầu sử dụng nay.Vì vậy, nhóm chúng tơi thực đề tài: “Cơng nghệ sản xuất chất tạo từ vi sinh vật” để tìm hiểu rõ cơng nghệ sản xuất xylitol từ vi sinh vật Trong báo cáo nhiều sai sót mong bạn góp ý để báo cáo chúng tơi hồn thiện TPHCM, Tháng Năm 2015 Nhóm thực NHĨM 18 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VÀ DANH MỤC BẢNG .4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT TẠO NGỌT 1.1.Định nghĩa 1.2.Phân loại 1.3.Xylitol CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT CHẤT TẠO NGỌT 2.1.Nguyên liệu 2.2.Môi trường 2.3.Vi sinh vật 10 2.4.Quy trình cơng nghệ 12 2.4.1.Quy trình trích ly xylose từ ngun liệu 12 2.4.2.Quy trình lên men sản xuất xylitol 18 2.4.3.Sản phẩm 24 2.4.4.Thành tựu công nghệ 24 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 DANH MỤC HÌNH VÀ DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH Hình 1: Cơ chế hình thành xylitol từ xylose .7 Hình 2: Thiết bị tiệt trùng autoclave 10 Hình 3: nấm men C.Tropicalis 10 Hình 4: Nấm men Candida guilliermonlii 11 Hình 5: Máy xay bã mía 13 Hình 6: Thiết bị thuỷ phân bã mía 14 Hình 7: Máy xử lý nguyên liệu 15 Hình 8: Cấu trúc lỗ hỏng than hoạt tính than hoạt tính dạng bột mịn 16 Hình 9: Thiết bị lọc than hoạt tính 16 Hình 10: Thiết bị cô đặc chân không 17 Hình 11: Thiết bị lọc khung .20 Hình 12: Sơ đồ hệ thống trao đổi ion 20 Hình 13: Cấu tạo D-xylulose 21 Hình 14: Cấu tạo xylitol 22 Hình 15: Một số loại nhựa trao đổi ion .22 Hình 16: Sơ đồ thiết bị lên men 23 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Bảng số lượng nhóm chức lignin ( tính theo 100 đơn vị phenylpropan) Bảng Thành phần gỗ brich thủy phân .8 Bảng Thành phần hóa học bắp Bảng 4: Xylitol sản xuất từ trấu thủy phân nước nóng cách lựa chọn phân lập.25 Bảng 5: ảnh hưởng phương pháp xử lý vật lý hóa học khác thành phần trấu gạo 26 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT TẠO NGỌT 1.1.Định nghĩa Chất tạo ngọt: Là phụ gia tạo vị ngọt,chúng thêm vào thực phẩm chất thay đường Được sử dụng phổ biến công nghệ chế biến bảo quản thực phẩm Đến nay, nhà khoa học tìm thấy hàng trăm chất hóa học có khả tạo nên vị Chúng chiết tách từ thực vật sản xuất phương pháp tổng hợp Tuy nhiên vài chục chất phép sử dụng công nghệ thực phẩm Tùy theo quy định quốc gia mà danh mục chất tạo phép sử dụng khác Các nhà khoa học nổ lực tìm kiếm chất tạo với đặc tính kỹ thuật ưu việt để sử dụng sản xuất số loại thực phẩm chức 1.2.Phân loại Có nhiều phương pháp phân loại chất tạo vị Theo Branen cộng (1989), chất tạo vị chia thành hai nhóm: có giá trị dinh dưỡng khơng có giá trị dinh dưỡng Chất tạo Khơng có giá trị dinh dưỡng Có giá trị dinh dưỡng Glucid Polyols Tự nhiên Tổng hợp monosaccharide Disaccharide Glucose Frutose Galactose Saccharose Mantose Lactose Hỗn hợp Đơn giản Hỗn hợp Đường nghịch đảo Syrup thuỷ phân từ Mật ong Xylitol Sorbitol Mannitol Maltitol Lactiol Glucose Syrup hydrogen hoá Isomalt Glycyrrhizin Stevioside Thaumatin Monelin Miracullin Dihidrochalcone Saccharine Cyclamate Acesulfame Aspartame Sucralose Dulcine Khi sử dụng chất tạo ngọt, người ta thường quan tâm đến ba khái niệm đây:  Vị ngọt: Vị Saccharose xem vị chuẩn Một số chất có vị pha lẫn (vd: glycyrrhizin có vị pha lẫn vị cam thảo)  Ngưỡng phát hiện: Nồng độ thấp dung dịch chất tạo vị để người sử dụng cảm nhận phát vị  Độ tương đối: Thường so sánh với độ chất chuẩn Saccharose Việc xác định độ tương đối thực cách so sánh tỷ lệ nồng độ chất tạo cần tím với chất chuẩn, cho vị hai dung dịch tương đương Đơn vị đo nồng độ thường dùng là: phần trăm khối lượng (W/W) mol/l 1.3.Xylitol Là chất làm xuất tự nhiên.Nó tìm thấy dâu tây, rau nấm…Tiếng Phần Lan gọi “koivusokeri” hay “đường phong” Cách tốt để sản xuất xylitol sản xuất từ Bulô việc băm nhỏ nấu chảy sợi gỗ xylan Hình 1: Cơ chế hình thành xylitol từ xylose Hydrolysis Hydrogenation (C5H8O4)n n(C5H10O5) n(C5H12O5) Pentosans Xylose Xylitol Tính chất:  Khối lượng phân tử: 152  Hình dạng: màu trắng, bột tinh thể  Khơng mùi  Điểm sơi: 1260C(760mmHg)  Điểm nóng chảy: 92-960C  Độ hịa tan 200C: 169g/100g nước, khó tan etanol, metanol  pH nước: 5-7  Nhiệt hòa tan: -34,8cal/g  Năng lượng: 4,06cal/g CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT CHẤT TẠO NGỌT 2.1.Nguyên liệu Bã mía: chế phẩm nhà máy đường Thành phần bã mía: - Cellulose: 39,2% - Hemicellulose: 19,7% - Ligin: 17,8% - Protein: 1,5% Hemixenloloze  Hemixenluloze thuộc nhóm pholysaccarit phi xenluloza  Hemixenluloze hỗn hợp số loại pholysaccarit thủy phân chủ yếu tạo số đồng phân lập thể thuộc heoza  Hemixenluloze gồm pholysaccarit mà mạch phân tử homopolyme opolyme  Các đơn vị mắc xích pholysaccarit hemixenluloza thường vịng anhydro saccarit D-xyloza, L-arabubiza  Trong thành phần số pholysaccarit hemixenluloza liên kết với nhóm axetyl làm cho thành phần hemixenluloza trở nên phức tạp Lingin  Là hợp chất cao phân tử có hoạt tính thơm, khung đơn vị mắc xích lignin phenyl propan  Các nhóm chức có ảnh hưởng lớn đến tính chất lignin nhóm hydroxyl phenol, nhóm hydroxyl rượu benzolic nhóm cacbonyl Bảng 1: Bảng số lượng nhóm chức lignin ( tính theo 100 đơn vị phenylpropan) Nhóm chức Metoxyl 139-158 Hydroxyl phenol(tự do) 9-13 Bảng Thành phần gỗ brich thủy phân Component Concentration(g/l) Xylose 110.0 Glucose 3.1 Rhamnose 3.5 Mannose 3.4 Galactose 1.5 arabinose 1.6 Bảng Thành phần hóa học bắp hydrolysate Com fiber Xylose Glucose Arabinose Galactose Mannose Reference (%) (%) (%) (%) (%) 17 37 11 - Saha & bothast( 1999) 30-41 25-38 21-28 4-6 - Hespell(1998) 20 20 10 - - Leathers(1996) 20 16 11 - Dien(1999) 2.2.Môi trường Thành phần môi trường cần cho lên men  Xylose: 5-15g/l  Glucose: 0.5-2g/l  Dịch chiết nấm men: 0.2-2g/l  (NH4)2SO4: 0.2-2mg/l  (KH2)PO4: 0.2-2mg/l  MgSO4: 0.02-0.1mg/l Thực hiện: Xylose, glucose pha với thành phần thích hợp, bổ sung MgSO4 - Tiệt trùng  Điều kiện: 1210C, áp suất 1.5atm, thời gian 15 phút  Thiết bị: autoclave 10 Hình 7: Máy xử lý nguyên liệu Xử lý pha lỏng a Lọc Mục đích: để loại bỏ phần chưa thuỷ phân Thiết bị: thiết bị lọc dùng vải lọc b Xử lý dịch lọc với than hoạt tính 16 Hình 8: Cấu trúc lỗ hỏng than hoạt tính than hoạt tính dạng bột mịn Mục đích: Để hạn chế nồng độ chất ức chế trình lên men sinh trình thuỷ phân acid acetic, furfural, hydroxyl metyl furfural, hợp chất phenolic Phương pháp thực hiện: Hỗn hợp sau thuỷ phân xử lý than hoạt tính 300C 60 phút, thường tiến hành lần, trình thực sau trình lọc Thiết bị: Hình 9: Thiết bị lọc than hoạt tính c đặc chân khơng Mục đích: tăng hàm lượng xylose mong muốn, đáp ứng cho trình lên men Phương pháp: nhiệt độ cô đặc 700C pH chỉnh 5,4 sử dụng NaOH 0,1N Thiết bị: thiết bị cô đặc chân khơng 17 Hình 10: Thiết bị đặc chân không Nguyên lý hoạt động: Dung dịch hỗn hợp (quả, miếng dịch) cho vào thiết bị qua cửa nạp nguyên liệu Sau đóng chặt cửa lại Mở van cấp nhiệt cho thiết bị Dưới tác dụng nước bão hoà, hỗn hợp dịch thiết bị nâng dần nhiệt độ Khi nhiệt độ dịch đạt 70750C, bơm chân không hoạt động, hút ẩm ngồi, tạo độ chân khơng cho thiết bị Khi áp suất chân không làm việc đạt p= 500-600 mmHg, điều chỉnh van cho thông số thiết bị ổn định, lúc dịch thiết bị sôi, chất lỏng hoá hút ngồi bơm chân khơng Nồng độ chất hồ tan dịch tăng dần lên, trình thẩm thấu chất hồ tan diễn làm nồng độ chất khơ dịch tăng dần Quá trình diễn liên tục nồng độ chất khô sản phẩm đạt yêu cầu sản phẩm tháo qua cửa tháo sản phẩm Kết quả: Thành phần đạt sau cô đặc Xylose = 46 g/l Glucose = 1,8 g/l Arabinose = 2,5 g/l Total phenols = 1,78 g/l Furfural = 0,011 g/l Hydroxymethylfurfural = 0,004 g/l 18 2.4.2.Quy trình lên men sản xuất xylitol Nguyên liệu Giống Nhân giống Lên men Tách tinh chế Xylitol Giải thích quy trình cơng nghệ Nhân giống Mục đích: tạo giống cho sản phẩm từ giống gốc Thực hiện: Phục hồi giống nuôi môi trường thạch nghiêng (40g/ml malt, 15g/ml agar) ủ nhiệt độ 25oC tạo bào tử Chuẩn bị môi trường lên men cấy giống theo cấp đủ canh trường để lên men cho sản xuất Sơ đồ nhân giống:  Thể tích lên men: 150m3  Tỉ lệ bổ sung mơi trường giống: 5- 10% thể tích mơi trường  Ống giống gốc đưa vào erlen 50ml (chứa 15ml môi trường) 19       Erlen 500ml chứa 150ml môi trường Thùng lít chứa lít mơi trường Thùng 50 lít chứa 15 lít mơi trường Bồn 5h chứa 150 lít mơi trường Bồn 5m3 chứa 1.5 m3 môi trường Bồn 20m3 chứa 15m3 môi trường (giống cho sản xuất) Lên men Mục đích: Q trình trao đổi chất VSV tăng sinh khối sản phẩm (xylitol) Thực hiện: môi trường bơm bào thiết bị lên men, giống cho vào Oxy bơm liên tục q trình lên men Thơng số cơng nghệ  Nhiệt độ lên men: 28- 32oC  pH= 4.5 -5.5  Thời gian lên men: kết thúc xylose sử dụng hoàn toàn (48h)  Tốc độ cánh khuấy: 300- 600rpm  Tốc độ oxy: hịa tan mơi trường 0.1- 5% khơng khí bão hịa Vấn đề tiến hành bổ sung môi trường  Bắt đầu bổ sung mơi trường hàm lượng xylose cịn khoảng 3-6 %  Mơi trường bổ sung: lít chứa 700g xylose 100g glucose, ngồi cịn có chất dinh dưỡng  Tốc độ bổ sung: 6.04g/l.h Các yếu tố ảnh hưởng trình lên men - Hàm lượng glucose 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 trình trao đổi chất, gây ức chế tế bào ức chế sản xuất sản phẩm  Vậy cần có hàm lượng đường tối ưu - Hàm lượng oxy oxy hoá khử:  Hàm lượng oxy thay đổi oxy hoá khử thay đổi  Ảnh hưởng lên hiệu suất tạo sản phẩm (xylitol) Điểm oxi hóa khử tối ưu: -100mv Để điều khiển thơng số ta dùng cảm ứng oxy hóa, cảm biến thu tín hiệu gửi phần điều khiển, từ điều chỉnh vận tốc oxy cho phù hợp Tách tinh chế 20 Mục đích : thu nhận sản phẩm Dịch sau lên men bao gồm: sinh khối (nấm men), đường sót (D- xylose) số chất khác Quy trình thu Xilytol: a Lọc – khử khống  Mục đích: tái sinh khối nấm men cặn nhằm thu dịch chứa Xilytol  Thực hiện: dịch sau lên men bơm qua thiết bị lọc khung Sinh khối cặn giữ lại màng, ta thu dịch Hình 11: Thiết bị lọc khung Dịch thu qua q trình khử khống 21 Hình 12: Sơ đồ hệ thống trao đổi ion b Cơ đặc chân khơng  Mục đích: bốc nước giảm hàm ẩm, tăng nồng độ đường Ngoài làm số chất bay  Thưc hiện: dịch thu bơm vào thiết bị cô đặc, điều kiện làm việc áp suất thấp, nhiệt độ thấp (50oC) nhằm tránh phản ứng biến đổi đường nhiệt độ cao Thiết bị: thiết bị cô đặc chân không c Loại D- Xylulose  D- Xylulose đường sót q trình lên men, loại D- Xylulose nâng cao độ tinh khiết cho Xylitol 22 Hình 13: Cấu tạo D-xylulose Hình 14: Cấu tạo xylitol  Thực hiện: thực phương pháp trao đổi ion Nhựa trao đổi ion hấp phụ Xylulose mạnh 23 Hình 15: Một số loại nhựa trao đổi ion  Thiết bị: ion change resin Amberlite IRA 400 d Trích ly kết tinh  Mục đích: thu Xylitol  Thực hiện:Cồn nóng dùng làm dung mơi trích ly Xylitol hịa tan cồn nóng Sau hạ nhiệt độ tới -15oC tinh thể Xylitol bắt đầu kết tinh, lọc kết tủa (thu sản phẩm) Lấy tinh thể hịa tan vào cồn nóng trở lại, sau tái kết tinh đễ thu sản phẩm đảm bảo tinh khiết e Sơ đồ thiết bị lên men 24 Hình 16: Sơ đồ thiết bị lên men f Thuyết minh quy trình  Thùng lên men: mơi trường bơm vào thùng lên men từ thùng chứa môi trường  Trên nắp thùng có gắn cánh khuấy động khuấy  Thùng giống: chứa canh trường nấm men  Thùng môi trường: chứa môi trường lên men  Bộ chỉnh pH: gồm hai bình acid bazo Bộ cảm biến pH cho biết biến đổi pH tiến trình lên men gửi tính hiệu cho điều khiển để chỉnh pH cho thích hợp  Bộ điều chỉnh nhiệt độ: bình nóng bình lạnh Phương pháp điều khiển giống điều chỉnh pH 25  Hệ thống cấp oxy: gồm thiết bị lọc khơng khí (đảm bảo khơng khí ln sạch, không môi trường lên men bị nhiễm), hệ thống bơm khí vào thùng từ lên  Dịch sau lên men bơm thiết bị chiết tách g Đánh giá trình lên men: Dùng HPLC với cột Suger pak I 2.4.3.Sản phẩm Xylitol sử dụng loạt sản phẩm Nó sử dụng phụ gia thực phẩm ngành công nghiệp: ngành công nghiệp dược phẩm, y tế thực phẩm, nước giải khát, ngành công nghiệp bánh ngọt, chất tạo ngọt… Xylitol sản phẩm thực phẩm Ta dùng Xylitol để cải thiện chất lượng cá đông lạnh sản phẩm từ thịt cách sản xuất cho thêm trộn chung đường Xylitol Nó ngăn chặn biến tính q trình đơng lạnh trì màu sắc sản phẩm Xylitol áp dụng thực phẩm dựa sản phẩm mật ong có hương vị làm cho sản phẩm có độ tinh khiết cao nâng cao chất lượng có cho thêm calorie chứa calorie polysaccharides polydextrose polyol (sorbitol, maltitol, xylitol) Việc sử dụng Xylitol kẹo cao su (chewing gum) cho vấn đề vệ sinh miệng điều trị bệnh miệng Kẹo cao su sản xuất cách pha trộn chất diệt khuẩn, bột đường Nó chứa thành phần khác chất làm mền mùi thơm Các chất diệt khuẩn lựa chọn từ chất sát trùng số loại muối acid citric, muối fluoride Ribavirin Chỉ tiêu chất lượng              Màu : trắng Độ ẩm: < 0,2% Hàm lượng xylitol: >= 98.5% Đường khử: 0.05% pH: 5- Tro: