Ứng dụng kỹ thuật màng để phân riêng gamma aminobutyric acid (gaba) từ canh trường lên men cám gạo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THANH TÂM ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÀNG ĐỂ PHÂN RIÊNG GAMMA AMINOBUTYRIC ACID (GABA) TỪ CANH TRƢỜNG LÊN MEN CÁM GẠO Chuyên ngành : Công nghệ Thực phẩm Mã số: 60540101 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hƣớng dẫn khoa học : TS Lại Quốc Đạt Cán chấm nhận xét : TS Lê Minh Hùng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS Huỳnh Tiến Phong (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 11 tháng 07 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: GS.TS Đống Thị Anh Đào TS Lê Minh Hùng TS Huỳnh Tiến Phong PGS.TS Phan Tại Huân TS Trần Thị Thu Trà Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Thanh Tâm MSHV: 13111028 Ngày, tháng, năm sinh: 16/04/1990 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm Mã số : 60540101 TÊN ĐỀ TÀI : Ứng dụng kỹ thuật màng trình phân riêng Gamma Aminobutyric Acid (GABA) từ canh trƣờng lên men cám gạo NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xác định thành phần hóa học canh trƣờng lên men cám gạo Khảo sát ảnh hƣởng trình tiền xử lý canh trƣờng lên men cám gạo trình phân riêng GABA sử dụng màng siêu lọc Khảo sát ảnh hƣởng áp suất vận hành thiết bị đến trình phân riêng GABA từ canh trƣờng lên men cám gạo Xây dựng mơ hình tốn học trình phân riêng GABA từ canh trƣờng lên men cám gạo Khảo sát ảnh hƣởng trình diafiltration đến trình phân riêng GABA từ canh trƣờng lên men cám gạo NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 17/08/2015 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 6/2016 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS Lại Quốc Đạt Tp HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2016 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC (Họ tên chữ ký) Luận văn thạc sĩ i LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành đƣợc luận văn em nhận đƣợc nhiều động viên, giúp đỡ nhiều cá nhân tập thể Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS Lại Quốc Đạt Thầy tận tình hƣớng dẫn, truyền dạy động viên em suốt trình nghiên cứu, thực đề tài trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thành viên gia đình em tạo điều kiện vật chất tinh thần để em hồn thành q trình học tập Ngồi ra, em xin trân trọng cảm ơn đến quý thầy cô khoa Kỹ thuật hóa học, mơn Cơng nghệ Thực phẩm tạo điều kiện thuận lợi cho em hòan thành luận văn Cuối cùng, em xin cảm ơn anh, chị, bạn học lớp em phịng thí nghiệm cơng nghệ thực phẩm tận tình giúp đỡ q trình nghiên cứu trƣờng TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng năm 2015 Học viên thực HVTH: Phạm Thanh Tâm Luận văn thạc sĩ ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Kỹ thuật phân riêng màng siêu lọc đƣợc ứng dụng rộng rãi công nghiệp dƣợc phẩm thực phẩm với ƣu điểm: vận hành đơn giản, không cần thêm chất phụ gia, đƣợc tiến hành nhiệt độ thấp nên giữ đƣợc hợp chất sinh học nhạy cảm nguyên liệu, tiết kiệm lƣợng Tận dụng cám gạo, nguồn phế liệu công nghiệp với hỗ trợ enzyme tạo thành canh trƣờng lên men vi khuẩn Lactobacillus brevis nhằm nâng cao khả sinh tổng hợp GABA với nồng độ GABA thu đƣợc 9,507 g/L, đạt suất xấp xỉ 10% so với hàm lƣợng cám gạo ban đầu sử dụng, tạo điều kiện thuận lợi cho trình phân tách tinh GABA sử dụng màng siêu lọc Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật phân riêng GABA từ canh trƣờng lên men cám gạo sử dụng màng siêu lọc Với khảo sát ảnh hƣởng q trình tiền xử lý thơng số vận hành thiết bị đến trình phân riêng GABA màng siêu lọc kết cho thấy trình tiền xử lý ly tâm kết hợp lọc MF áp suất bar, nhiệt độ vận hành 28±20C, tốc độ khuấy 100rpm,thì thu đƣợc nồng độ GABA dòng qua màng 5,072 g/L, cao gấp 1,02 lần so với mẫu đối chứng, tỷ lệ loại bỏ protein xấp xỉ 90% Từ mơ hình tốn học trình phân riêng GABA từ canh trƣờng lên men cám gạo xác định đƣợc hệ số đặc thể tích thơng qua giá trị thơng lƣợng, CF tiến giá trị α, thơng lƣợng Q trình phân riêng bị gián đoạn cần tiến hành phƣơng pháp vệ sinh màng phù hợp nhằm loại bỏ cấu tử bám mao quản Việc kết hợp trình diafiltration phân riêng GABA màng siêu lọc làm tăng thêm hiệu suất thu hồi độ tinh GABA canh trƣờng lên men cám gạo Với khảo sát ảnh hƣởng giải pháp bổ sung nƣớc vào dịng khơng qua màng với tỉ lệ lần lƣợt 1:1; 0,75:1; 0,5:1; 0,25:1 so với thể tích dịng qua màng thu đƣợc kết tỉ lệ 1:1 đạt đƣợc hiệu suất thu hồi GABA 19,47%, tăng 1,17 lần so với mẫu nhập liệu, độ tinh 9,6%,tỷ lệ loại bỏ protein 80% HVTH: Phạm Thanh Tâm Luận văn thạc sĩ iii Nhƣ vậy, sử dụng kỹ thuật siêu lọc phƣơng pháp có hiệu việc thu nhận GABA từ canh trƣờng lên men cám gạo HVTH: Phạm Thanh Tâm Luận văn thạc sĩ iv ABSTRACT Membrane technology using ultrafiltration is the advantages of easy operation and low energy cost, no requirement any additives, low temperatures, keeping sensitive biomolecules with temperatures and less energy consumption which is widely used in the separation industry Appication of advantages of rice bran in Vietnam to create GABA biosynthesis using Lb brevis with the support of the enzyme and the amount of gamma aminobutyric acid (GABA) can reach 9,507 g/L, approximately 1% of the amount of original rice bran It’s the advantages of separation and purification GABA using ultrafiltration Ultrafiltration (UF) process in separation and purification GABA fermentation broth is studied The experiment of influence of pre-treatment and pressure on the concentration of GABA fermented broth using ultrafiltration process After pretreatment with high speed centrifugation and filtration using MF, at pressure bar, temperatures 280C, with stirred 100rpm, recycle rate of GABA can reach 14,41%, with the amount of GABA in permeate is 5,072 g/L, which is almost 1,02 times higher than the control sample, moreover, protein is removed approximately 90% Moreover, mathematical modelling can determinate the value of permeate through the value of volume concentration fator When volume concentration factor is similar to α, the value of permeate is zero Thus, ultrafiltration is interrupted, so, cleaning membrane using suitable methods, in purpose, remove impurities from capillaries Application of diafiltration, influence of adding volume of water into retentate which is the ratio of 1:1 of permeate, recycle of GABA in permeate is approximately 19,47%, which is 1,17 times higher than the control sample, and purity of GABA is 9,6% Thus, ultrafiltration process is an effective method to separation and purification GABA from fermented broth HVTH: Phạm Thanh Tâm Luận văn thạc sĩ v LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi, có hỗ trợ từ giáo viên hƣớng dẫn TS Lại Quốc Đạt Các nội dung nghiên cứu kết đề tài trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình nghiên cứu trƣớc Nếu phát có gian lận tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc hội đồng, nhƣ kết luận văn Học viên thực Phạm Thanh Tâm HVTH: Phạm Thanh Tâm Luận văn thạc sĩ vi MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii ABSTRACT iv LỜI CAM ĐOAN v DANH MỤC BẢNG .x DANH MỤC HÌNH .xi DANH MỤC VIẾT TẮT xii CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.2.1 Mục tiêu tổng quát 1.2.2 Mục tiêu cụ thể 1.3 Nội dung nghiên cứu CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan GABA 2.1.1 Giới thiệu GABA 2.1.2 Chức sinh lý GABA 2.1.3 Cơ chế sinh tổng hợp GABA 2.1.4 Quá trình sản xuất GABA từ nhóm vi khuẩn acid lactic 2.2 Tổng quan kỹ thuật siêu lọc 2.2.1 Giới thiệu kỹ thuật phân riêng màng siêu lọc .9 2.2.1.1 Kỹ thuật phân riêng màng siêu lọc 2.2.1.2 Động lực học trình phân riêng màng siêu lọc 10 2.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến khả phân riêng màng 10 2.2.2.1 Tính chất nguyên liệu cần phân riêng: .10 2.2.2.2 Tính chất màng 12 2.2.2.3 Các thông số công nghệ 12 2.2.3 Hiện tƣợng tập trung nồng độ tƣợng tắc nghẽn màng 13 HVTH: Phạm Thanh Tâm Luận văn thạc sĩ vii 2.2.3.1 Hiện tƣợng tập trung nồng độ (Concentration polarization) 13 2.2.3.2 Hiện tƣợng tắc nghẽn màng 14 2.2.4 Kỹ thuật diafiltration .17 2.3 Ứng dụng kỹ thuật membrane trình phân riêng hợp chất sinh học từ canh trƣờng lên men 18 CHƢƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 3.1 Mục tiêu đề tài Error! Bookmark not defined 3.1.1 Mục tiêu tổng quát Error! Bookmark not defined 3.1.2 Mục tiêu cụ thể Error! Bookmark not defined 3.2 Nguyên liệu 20 3.2.1 Cám gạo 20 3.2.2 Vi khuẩn Lb brevis 21 3.2.3 Thiết bị lọc màng mơ hình dead-end 21 3.2.4 Màng siêu lọc 22 3.3 Nội dung nghiên cứu 23 3.3.1 Sơ đồ nghiên cứu – quy trình thí nghiệm 23 3.3.1.1 Quy trình chuẩn bị dịch lên men cám gạo 23 3.3.2 Nội dung 1: Xác định thành phần hóa học canh trƣờng cám gạo lên men .28 3.3.3 Nội dung 2: Khảo sát ảnh hƣởng trình tiền xử lý dịch cám gạo lên men đến khả phân riêng màng siêu lọc 28 3.3.4 Nội dung 3: Khảo sát ảnh hƣởng áp suất vận hành đến khả phân riêng màng siêu lọc 29 3.3.5 Nội dung 4: Xây dựng mơ hình tốn học cho q trình phân riêng GABA từ canh trƣờng lên men cám gạo .30 3.3.6 Nội dung 5: Khảo sát ảnh hƣởng giải pháp bổ sung nƣớc vào dịng khơng qua màng đến khả phân riêng màng siêu lọc .30 3.4 Phƣơng pháp phân tích 31 3.4.1 Xác định hàm lƣợng chất khô tổng 31 HVTH: Phạm Thanh Tâm ... cứu cơng bố ứng dụng kỹ thuật phân riêng màng trình thu nhận tinh GABA từ canh trƣờng lên men Chính vậy, đề tài “ Ứng dụng kỹ thuật màng để phân riêng GABA từ canh trƣờng lên men cám gạo? ?? đƣợc... ĐỀ TÀI : Ứng dụng kỹ thuật màng trình phân riêng Gamma Aminobutyric Acid (GABA) từ canh trƣờng lên men cám gạo NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xác định thành phần hóa học canh trƣờng lên men cám gạo Khảo... lƣợng cám gạo ban đầu sử dụng, tạo điều kiện thuận lợi cho trình phân tách tinh GABA sử dụng màng siêu lọc Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật phân riêng GABA từ canh trƣờng lên men cám gạo sử dụng màng