Nghiên cứu chuyển hóa saccharose thành fos và tinh sạch fos bằng phương pháp lọc nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THỊ HỒNG ÁNH NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA SACCHAROSE THÀNH FRUCTOOLIGOSACCHARIDES (FOS) VÀ TINH SẠCH FOS BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC NANO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THỊ HỒNG ÁNH NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA SACCHAROSE THÀNH FRUCTOOLIGOSACCHARIDES (FOS) VÀ TINH SẠCH FOS BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC NANO Chuyên ngành: Chế biến thực phẩm đồ uống Mã số chuyên ngành: 62540201 Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Thị Xuân Sâm Phản biện độc lập 2: PGS TS Lý Nguyễn Bình Phản biện 1: GS TSKH Lưu Duẩn Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Tiến Thắng Phản biện 3: PGS TS Mai Thanh Phong NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Đống Thị Anh Đào TS Nguyễn Hữu Phúc LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu các kết luận luận án trung thực, không chép từ bất một nguồn dưới bất kỳ hình thức Việc tham khảo các nguồn tài liệu được thực hiện trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo yêu cầu Tác giả luận án Lê Thị Hồng Ánh i TÓM TẮT LUẬN ÁN Sản xuất prebiotic bổ sung prebiotic vào thực phẩm xu hướng bật của các nghiên cứu lĩnh vực công nghệ thực phẩm hiện tồn giới Mợt prebiotic được quan tâm nhiều fructooligosaccharides (FOS) Chính vậy, việc nghiên cứu sản x́t FOS có độ tinh khiết cao, phù hợp với tiêu chuẩn chế biến thực phẩm từ nguồn nguyên liệu nước thật vấn đề cần quan tâm phát triển Để góp phần giải vấn đề trên, luận án tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng, động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS enzyme fructosyltransferase (FTS) nghiên cứu nâng cao độ tinh khiết của FOS phương pháp lọc nano Luận án đạt được mợt số kết quả sau: 1) Kết nghiên cứu lý thuyết  Xây dựng được mơ hình đợng học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS enzyme FTS  Xác định được quy luật ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến khả phân riêng monosaccharides, saccharose, FOS màng lọc nano đề xuất phương án lọc tuần hoàn kết hợp pha lỗng để nâng cao đợ tinh khiết của FOS 2) Kết nghiên cứu thực nghiệm  Đã xác định các thông số động học của enzyme FTS phương pháp giải thuật di truyền, giúp giảm thiểu số thí nghiệm, thời gian chi phí nghiên cứu động học phản ứng enzyme, đặc biệt trường hợp phản ứng có nhiều chất  Xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm mơ tả ảnh hưởng của nhiệt độ, pH, nồng độ saccharose ban đầu tỷ lệ enzyme đến hiệu suất chuyển hóa saccharose thành FOS, từ xác định được điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp FOS ii  Đã tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ của quá trình lọc nano phương pháp vùng cấm lựa chọn chế đợ lọc t̀n hồn thích hợp để nâng cao độ tinh khiết của FOS đến 86,7% Những kết quả bước đầu tạo tiền đề cho việc triển khai công nghệ, ứng dụng vào thực tế, đồng thời nguồn tham khảo tin cậy cho nghiên cứu lĩnh vực iii ABSTRACT OF THESIS Nowadays, production of prebiotic and prebiotic supplements in food products is considered a prominent trend in food technology worldwide One of the most interested prebiotics is fructooligosaccharides (FOS) Hence, the study of producing high purity of FOS that can meet the food processing standards from domestic materials must be a matter of concern and development To solve this problem, the thesis aims to study the influencing factors, the kinetics of FOS synthesis from sucrose using fructosyltransferase (FTS), and the improvement of purity of FOS by nanofiltration Thesis has achieved some major results are as follows: 1) Theoretical results  A kinetics model of FOS synthesis from sucrose using fructosyltransferase was built  Rules of main factors that give impacts of technological parameters on the separation of monosaccharides, saccharose and FOS by nanofiltration were determined, and the technique of diafiltration to enhance the purity of FOS was also proposed 2) Experimental results  The parameters of enzyme kinetics FTS by genetic algorithm method were determined The result reduced the quantity of experiments, time and cost related to study of kinetics of FTS enzyme, especially in case of multiple substrates  The regression equation which stimulates the effects of temperature, pH, initial concentration of sucrose and enzyme rate on the performance of transforming saccharose into FOS was established Then, the optimum conditions of FOS synthesis was determined  Main parameters of nanofiltration process were optimized by means of restricted areas Moreover, the optimum diafiltration mechanism was also set to enhance the purity of FOS to 86.7% iv The results have established initial steps for the application of new technology into practice In addition, results found in this thesis would be useful references for further research in the same field v LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành kết quả nỗ lực của bản thân giúp đỡ, đợng viên tinh thần của các thầy, cơ, gia đình, đồng nghiệp, bạn bè Với tất cả chân thành, xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Đống Thị Anh Đào tận tình hướng dẫn, nâng bước tinh thần cho suốt thời gian vừa qua; xin cảm ơn TS Nguyễn Hữu Phúc giúp đỡ, góp ý cho luận án Tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình bé nhỏ tạo điều kiện cho nghiên cứu, yên tâm làm việc, cảm ơn các Vĩnh Liêm, Viên Phương Thục Khuê mang lại niềm vui nhiệt tình cho mẹ Đặc biệt, cảm ơn người bạn Như Nguyện sát cánh nghiên cứu tôi, từng ngày từng ngày, dù thật xa, vẫn hỗ trợ động viên tơi hồn thành ḷn án Tơi xin cảm ơn Khoa Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách khoa, tập thể đồng nghiệp khoa Công nghệ thực phẩm – Trường Đại học Công nghiệp thực phẩm TP.HCM giúp đỡ chia sẻ với thời gian vừa qua Lê Thị Hồng Ánh vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT LUẬN ÁN ii ABSTRACT OF THESIS iv LỜI CẢM ƠN .vi MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU 1 TỔNG QUAN, HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG CHÍNH 1.1 FOS prebiotic 1.2 Các phương pháp tổng hợp FOS từ saccharose 1.3 Đợng học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS enzyme FTS 14 1.4 Các phương pháp nâng cao độ tinh khiết của FOS 20 1.5 Ứng dụng phương pháp giải thuật di truyền (GA - Genetic Algorithm) vào toán tìm kiếm tối ưu 30 1.6 Những vấn đề tồn công nghệ sản xuất FOS 32 1.7 Hướng nghiên cứu nội dung nghiên cứu của luận án 33 NGUYÊN VẬT LIỆU, HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36 2.1 Nguyên liệu 36 2.2 Hóa chất 36 2.3 Màng lọc nano 37 2.4 Thiết bị 39 2.5 Phương pháp nghiên cứu 40 2.6 Phương pháp phân tích 41 vii NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA SACCHAROSE THÀNH FOS BẰNG ENZYME FTS THU NHẬN TỪ ASPERGILLUS FLAVIPES 43 3.1 Tổng hợp FOS từ saccharose enzyme FTS 43 3.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp FOS từ saccharose enzyme FTS 44 3.3 Nghiên cứu đợng học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS enzyme FTS thu nhận từ Aspergillus flavipes 51 3.4 Đánh giá mức đợ tương thích của mơ hình toán học xây dựng với thực nghiệm 64 3.5 Kết luận 66 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ TINH KHIẾT CỦA FOS BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC NANO 67 4.1 Nghiên cứu lựa chọn màng lọc nano để tinh FOS 67 4.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả loại bỏ glucose, fructose saccharose khỏi dung dịch FOS sau tổng hợp phương pháp lọc nano 69 4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của phương thức pha loãng quá trình lọc nano đến đợ tinh khiết hiệu suất thu hồi FOS 94 4.4 Kiểm tra chất lượng, xác định tổng hiệu suất thu hồi sản phẩm FOS 85% 106 4.5 Kết luận .108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .109 5.1 Kết luận .109 5.2 Kiến nghị 110 CÁC TÀI LIỆU CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 viii Bảng 4.22 Các phương thức pha lỗng áp dụng để tinh FOS Độ tinh khiết FOS Hiệu suất thu hồi FOS Màng DS-5-DL 85% 96,60 VVD 0,9:1 90% 55,25 - VVD 0,85:1 95% 35,22 - VVD 0,9:1 Màng G5 4.4 Kiểm tra chất lượng, xác định tổng hiệu suất thu hồi sản phẩm FOS 85% 4.4.1 Kiểm tra chất lượng sản phẩm FOS có đợ tinh khiết >85% thu được sau quá trình lọc tuần hồn được đặc chân khơng Sản phẩm FOS sau cô đặc đạt hàm lượng chất khô >75% Kết quả phân tích chất lượng sản phẩm FOS được trình bày bảng 4.23 Bảng 4.23 Kết kiểm tra chất lượng sản phẩm FOS 85% Tên tiêu Cảm quan Kết Nơi phân tích Siro màu trắng ngà, khơng mùi, vị đặc trưng Hóa lý Đợ tinh khiết của FOS 86,7% (w/w) Trung tâm Hóa dầu Hàm lượng chất khô 85,02% (w/w) Tro 0,025% Pb Không phát hiện Trung tâm dịch vụ phân tích thí nghiệm TP.HCM pH 5,80 Vi sinh Tổng số vi khuẩn hiếu khí 5,0x101 CFU/g Tổng số nấm men, mốc