Những thành tựu khoa học kỹ thuật và sinh hoá cho phép tạo ra những quá trình sản xuất có năng suất cao dựa trên các phương pháp công nghệ ñã ñược ñiều chỉnh ñể có một [r]
(1)ðẠI HỌC ðÀ NẴNG
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HOÁ KỸ THUẬT
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
GIÁO TRÌNH
CƠNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM II THỜI LƯỢNG 45 TIẾT
(2)MỞ ðẦU
Công nghệ sinh học ngành khoa học ñang ñược giới quan tâm Giá trị cơng nghệ sinh học chỗ cơng cụ áp dụng cho nhiều ngành kinh tế sản xuất lương thực thực phẩm, chăn nuôi thú y, công nghiệp dược công nghiệp hoá học, chuyển hoá sinh khối thành lượng, xử lý phế liệu phụ liệu cơng nơng nghiệp, phịng chống ô nhiễm vệ sinh môi trường…
- Cơng nghệ sinh học giúp cho chương trình cải thiện nông nghiệp, nghề vườn nghề rừng tăng suất trồng, tăng chất lượng dinh dưỡng nông phẩm, chọn giống chống chịu với sâu bệnh với thời tiết đất đai khơng thuận lợi tạo giống thích nghi với điều kiện thổ nhưỡng khí hậu định ðồng thời tạo điều kiện để trì đa dạng di truyền ñủ rộng giống trồng giữ gìn nguồn gen tạo nên từ họ hàng hoang dại chúng Tính đa dạng di truyền thể thơng qua số lượng cực lớn kiểu kết hợp gen có số cá thể lồi thơng qua khác tính trạng giống lồi: kiểu sinh trưởng, tính kháng sâu bệnh, tính kháng với ngoại cảnh (sương muối, hạn, nóng…) suất Sau nghiên cứu kết nhiều tổ hợp lai cách cẩn thận nghiêm túc, nhà chọn giống dựa tính đa dạng di truyền để chọn dịng có tính trạng mong muốn ðể thành cơng, nhà chọn giống phải có tay vốn di truyền lớn tốt Vốn di truyền bao gồm giống trồng, giống chống chịu, giống ñịa phương (các giống thường bị bỏ quên suất thấp q có tính chống sâu bệnh điều kiện ngoại cảnh khơng thuận lợi) Trong vốn di truyền cịn phải kể đến hoang dại có tác dụng tăng sức sống cho giống trồng
Tính đa đạng di truyền nhân tố bảo đảm trồng khơng bị tai biến khí hậu sâu bệnh tiêu diệt hoàn toàn Cây trồng dễ bị hại có tai hoạ
- Cơng nghệ sinh học ứng dụng rộng rãi lĩnh vực thực phẩm dinh dưỡng Ngành công nghệ lên men phận cơng nghệ sinh học sản xuất nhiều sản phẩm thú vị cho ngành thực phẩm Hoặc việc sản xuất nấm men có ỹ nghĩa quan trọng Người ta sử dụng lượng nhỏ nấm men ñể bổ sung protein, vitamin chất khống cho thực phẩm Ngồi ra, sinh khối nấm men nguồn thức ăn bổ sung chăn ni có hiệu
(3)-179oC vận chuyển trạng thái này: 1000 phơi đơng lạnh khơng nặng q 50kg Phơi ñược cấy vào bò chữa ñẻ hộ Bê phát triễn lên từ phơi đời môi trường sống sau chúng đương đầu với bất lợi mơi trường mà súc vật nhập hay gặp phải Sự bảo vệ kháng thể bò mẹ nhờ bú sữa bò mẹ mà sau ñời bê sơ sinh chịu ñựng tốt ñối với loại bệnh tật thông thường
- Cơng nghệ sinh học cịn tích cực giúp đỡ ngành y tế ñể bảo vệ sức khoẻ cộng ñồng Người ta nói y học dự phịng (và lâu dài y học dự báo dựa hiểu biết ñặc ñiểm di truyền cá thể) mang lại lợi ích nhiều phương pháp điều trị Một lĩnh vực cơng nghệ sinh học góp phần quan trọng giải vấn đề y tế, khn khổ sách ưu tiên cho y học dự phịng, cải tiến vacxin có chế tạo vacxin ðồng thời cịn giúp ích việc sản xuất loại kháng sinh, vitamin thuốc chữa bệnh khác Những năm gần ñây, nhờ vào kỹ thuật di truyền người ta tìm cách tách chiết hoạt chất thực vật bậc cao ñể làm vật liệu xuất phát cho hàng loạt loại thuốc
- Cơng nghệ sinh học cịn góp phần việc sản xuất lượng như: sản xuất cồn đường lên men, chương trình biogas…và nguồn lượng lại phục vụ cho q trình sản xuất khác
- Cơng nghệ sinh học cịn tham gia vào việc chuyển hoá chất ngăn chặn ô nhiễm môi trường Sản phẩm phụ chất thải chứa hydratcacbon chuyển hố cách lên men nhờ vi sinh vật thông thường hay qui trình cơng nghệ sinh học Hoặc kỹ thuật tái tổ hợp AND góp phần tích cực để tách giống vi khuẩn thích hợp cho việc tối ưu hố chuyển hố Ví dụ: chuyển gen mã hố enzym xenluloza hemixenluloza
Clostridium thermocellum thành lồi Clostridium khác điều khiển chuyển hố xenluloza hemixenluloza thành etanol, axeton, butanol, axít axetic axít lactic Dùng vài giống ưa nhiệt Clostridium (toop= 65-75oC) có lợi cắt giảm chi phí việc chưng cất hạ giá thành sản phẩm
ðể ngăn chặn ô nhiễm mơi trường người ta dùng loại vi sinh vật khác Các kỹ thuật tái tổ hợp AND tạo chủng vi khuẩn phân huỷ hấp thụ số lớn chất cơng nghiệp hố chất thải
Như cơng nghệ sinh học có liên quan đến nhiều lĩnh vực bao gồm ngành như:
- Công nghệ di truyền
- Công nghệ nuôi cấy mô tế bào - Công nghệ enzyme
- Công nghệ vi sinh vật…
(4)CHƯƠNG I: NHỮNG NGUN TẮC HỐ SINH TRONG CƠNG NGHỆ VI SINH VẬT
ðể tạo sản phẩm lên men phải qua bước sau: - Chuẩn bị môi trường
- Chuẩn bị giống
- Lên men
- Thu hồi tinh chế sản phẩm
ðể tạo sản phẩm có chất lượng tốt suất cao cần hiểu rõ vấn đề sau
1.1Phân loại sản phẩm công nghệ vi sinh vật
Các sản phẩm lên men cơng nghiệp phân loại theo tiêu chuẩn sinh lí trao đổi chất Sự phân loại dựa vào sản phẩm trình lên men trình sản xuất nhờ vi sinh vật luôn tạo thành nhiều sản phẩm
1.1.1 Vật chế tế bào (sinh khối)
Cơ chất tế bào
Ví dụ: + protein ñơn bào (trạng thái chết)
+ vi khuẩn cố ñịnh ñạm (sống): Rhizobium, Azotobacter, VK trừ sâu Bacillus thuringiensis…
Việc tổng hợp sinh khối hay vật chất tế bào ñồng với sinh trưởng vi sinh vật Sinh trưởng sinh sản gắn liền với Sinh trưởng tăng khối lượng, sinh sản tăng số lượng
1.1.2 Các sản phẩm trao ñổi chất
Cơ chất sản phẩm + tế bào
1 Các sản phẩm cuối trao ñổi lượng (các sản phẩm lên men)
Ví dụ: etanol, axít lactic, axeton-butanol…
Lên men q trình yếm khí thu nhận lượng, hydro tách chuyển đến chất nhận hữu (nó khơng đồng nghĩa với lên men ngôn ngữ quốc tế - hiểu q trình sản xuất cơng nghiệp nhờ vi sinh vật)
Một số thể tiến hành lên men khơng có oxy làm chất nhận hydro cuối (kỵ khí tuỳ tiện), nhóm thể lên men bắt buộc khơng chứa enzym hô hấp Các hợp chất hữu nhận hydro hợp chất hinh thành q trình trao đổi chất dị hố Sau nhận hydro, hợp chất thải tế bào giống sản phẩm cuối hô hấp Từ ñó nảy vấn ñề sản xuất cần chọn điều kiện ni cho nhiều chất ñược chuyển thành sản phẩm lên men tốt
(5)2 Các chất trao ñổi bậc
Ví dụ: axít amin, nucleotit, vitamin, axít xitric
Các chất trao đổi bậc viên gạch cấu trúc có trọng lượng phân tử thấp cao phân tử sinh học tế bào chất: axít amin, nucleotit, nucleozit, đường, axít béo, vitamin… Ngồi sản phẩm trung gian q trình trao đổi chất (các axít hữu chu trình ATC) chất trao đổi bậc Các chế điều hồ phát triễn q trình tiến hố bảo đảm cho chất trao ñổi bậc ñược tổng hợp ñến mức ñộ cần thiết
3 Các chất trao ñổi bậc Ví dụ: kháng sinh, alcaloit
Các chất trao ñổi bậc chất trao ñổi có trọng lượng phân tử thấp, không gặp thể, phân bố chúng giới hạn đơn vị phân loại định Chúng khơng có chức chung trao ñổi chất tế bào tế bào tồn mà khơng cần ñến chúng Tuy nhiên, chất trao ñổi bậc có ý nghĩa với sinh trưởng thể sản sinh chúng Chẳng hạn số chất trao đổi bậc có vai trị hấp thụ sắt thiếu nguyên tố Thường chất bậc ñược tạo thành sinh trưởng ñã kết thúc Các chủng tồn tự nhiên thường tạo thành chất trao đổi bậc 2, chất tích luỹ tế bào thải ngồi
4.Các enzym
Ví dụ: enzym ngoại bào: proteaza, amylaza enzym nội bào : asparaginaza, penixilinaza
Tế bào vi sinh vật chứa khoảng 1000 enzym khác Một số enzyme có mặt với số lượng vài phân tử nhiều enzym có mặt với số lượng lớn Chỉ enzym chịu trách nhiệm phân huỷ chất khơng hồ tan tinh bột, xenlulo, protein…mới ñược tiết từ tế bào vào mơi trường Vi sinh vật có khả sử dụng chất khác cho sinh trưởng thích ứng với điều kiện sinh trưởng khác Trong giới hạn thể tích tế bào tổng hợp enzym mà cần Trong cơng nghệ sản xuất enzym cần phải điều khiển trao ñổi chất cho enzym mà ta mong muốn ñược tổng hợp nhiều tốt
1.1.3 Các sản phẩm chuyển hố chất
Ví dụ: oxy hố khơng hồn tồn để tạo thành axit axetic soboza
(6)Muốn nâng cao nồng độ axít đem dung dịch làm sấy chân khơng Bằng cách nâng cao nồng ñộ axit lên ñến 70%
6.2.3 Sản xuất axít citric:
Axit citric có nhiều số loại cam, chanh, dâu tây.v.v Lần ñầu tiên axit citric ñược sản xuất cách từ dịch chanh Hiện axit citric ñược sản xuất phương pháp lên men nhờ tác dụng nấm mốc
Axit citric sử dụng rộng rãi cơng nghệ thực phẩm ñể sản xuất nước giải khát, ñồ hộp, sử dụng cơng nghiệp dệt, điện ảnh, y dược…
1 Chủng vi sinh vật:
Thường sử dụng Asperillus niger ñể sinh tổng hợp axít citric Cơ chế tổng hợp:
C6H12O6 ↓
CH3COCOOH
oxalacetat CH3CHO + CO2 CH2COOH ↓
CH3COOH CH2COOH CHCOOH →+H2O CH2COOH COCOOH
CH2COOH CHCOOH CHOHCOOH COCOOH Axit xuxinic ax.fumaric ax.malic +
CH3COOH COOH
HOOCCH2C–CH2COOH OH
Axit citric
Sơ ñồ 7: Cơ chế tổng hợp axit citric tế bào vi sinh vật Phương trình lên men tổng quát:
C6H12O6 + 3O2 = 2C6H8O7 + 4H2O Kỹ thuật lên men:
Ngun liệu dùng để chuẩn bị mơi trường rỉ đường, dịch thuỷ phân tinh bột loại nguyên liệu khác Trong mơi trường ngồi đường cịn cần phải có chất cung cấp nitơ, photpho, kali, kẽm số nguyên tố vi lượng khác
(7)Quá trình tích luỹ axit citric thích nghi mơi trường có pH axit Tuy nhiên tích luỹ nhiều axit pH môi trường giảm nhiều Do cần có biện pháp đẻ giữ pH mức thích hợp
Sự thơng khí cho mơi trường quan trọng tất mixen nấm mốc loại hiếu khí điển hình Trong q trình phát triển nấm mốc địi hỏi lượng oxy lớn
Nhiệt độ thích hợp cho nấm mốc Aspergillus niger 31÷370C Ở nhiệt độ 34÷370C sinh khối nấm mốc phát triển mạnh, cịn 31÷320C axit tạo nhiều Nếu nhiệt độ thấp phát triển sinh khối bị chậm tạo thành axit citric bị giảm mà tích luỹ axit gluconic lại tăng Cịn nhiệt độ cao sinh khối phát triển nhanh trình tạo axit bị kìm hãm
4 Thu nhận sản phẩm:
Dung dịch sau lên men hỗn hợp gồm nhiều axit, chủ yếu axit citric, gluconic oxalic
Quá trình tách axit citric gồm bước: - Trung hoà dung dịch sau lên men:
C6H8O7 + 3Ca(OH)2 = Ca3(C6H5O7)2 + 6H2O Axit citric Canxi citrate
2C6H12O7 + Ca(OH)2 = Ca(C6H11O7)2 + 2H2O Axit gluconic Canxi gluconat
C2H2O4 + Ca(OH)2 = CaC2O4 + 2H2O Axit oxalic Can xxi oxalate
- Tách rửa kết tủa thiết bị lọc chân không - Chuyển canxi citrate thành axit citric:
Ca3(C6H5O7)2 + 3H2SO4 = 2C6H8O7 + 3CaSO4 Chú ý: phải sử dụng dư axit sunfuric
- Tách dung dịch axit thiết bị lọc chân không - Sấy dung dịch axit thiết bị sấy chân không - Kết tinh ñể thu nhận tinh thể axit
- Li tâm ñể tách tinh thể Sau li tâm thu nhận ñược tinh thể axit citric có độ ẩm 2÷3% đem sấy khơ nước có chứa axit sử dụng vào mục đích khác