Giáo trình công nghệ sinh học thực phẩm II - Chương 3

Tài liệu tham khảo Giáo trình công nghệ sinh học thực phẩm II - Chương 3 Sản xuất sinh khối vi sinh vật

Các sản phẩm lên men có mơi trường phải làm đậm đặc Các phương pháp thường dùng ñể tách sản phẩm như: lọc, ly tâm, lắng, trích li, sắc kí, đặc, kết tủa, kết tinh, tuyển nổi, sấy khô, nghiền… CHƯƠNG III: SẢN XUẤT SINH KHỐI VI SINH VẬT 3.1 Sản xuất protein ñơn bào 3.1.1 Ưu, nhược ñiểm sản xuất protein ñơn bào Ưu: - Ít tốn diện tích - Tốc độ sinh trưởng cao: gấp 100 ÷ 1000 lần so với đại gia súc Ví dụ: để sản xuất 1t protein cần: + Trồng 4ha đậu tháng + Ni bị 15 ÷ 18 tháng + Ni 300m3 vi sinh vật 24h - Không phụ thuộc vào khí hậu - Thành phần giá trị dinh dưỡng sinh khối điều chỉnh cách thay ñổi thành phần môi trường, ñiều kiện nuối cấy tạo giống - Sử dụng nguyên liệu sẵn có, rẻ tiền Nhược: - Trong sinh khối vi sinh vật chứa nhiều axít nucleic (10 ÷ 20%) khơng có lợi cho sức khoẻ người - Protein vi sinh vật có hương vị chưa cao 3.1.2 Các yêu cầu việc sản xuất protein ñơn bào ðể ñạt ñược hiệu kinh tế cao việc sản xuất sinh khối vi sinh vật cần phải bảo ñảm yêu cầu sau: Sử dụng nguyên liệu rẻ tiền với thu hoạch cao ðể ñạt ñược suất cao cần lưu ý ñến hiệu suất chuyển hoá nguyên liệu vi sinh vật Các dạng nguyên liệu ñược quan tâm nhiều: - Cacbuahydro: vi sinh vật có khả chuyển hố 100% để tạo thành sinh khối - Hydratcacbon (rỉ ñường, dịch kiềm sunfit, xenluloza, tinh bột, cặn sữa…): vi sinh vật có khả chuyển hố 50% vật chất khơ sang sinh khối Tốc độ sinh trưởng cao: nói chung tốc độ sinh trưởng vi sinh vật lớn, thời gian nhân ñôi chúng ngắn Vi khuẩn 0,3-2 Nấm men tảo 2-6 Nấm sợi khoảng 10 Gà mái 500 Heo 1000 Trâu bò 2000 Như thời gian nuôi cấy vi sinh vật ñể thu nhận sinh khối thu ñược khối lượng cao nhiều so với sinh vật khác Hàm lượng protein cao: Hàm lượng protein phụ thuộc vào chủng chịu ảnh hưởng nhiều điều kiện nuối cấy Nói chung hàm lượng protein vi sinh vật ñạt 50-60% Chất lượng protein cao: ðánh giá chất lượng protein người ta hay quan tâm đến hàm lượng axit amin khơng thay Tiêu chuẩn mang tính chất lồi Thành phần axit amin protein vi sinh vật giống thịt sữa Protein vi sinh vật giàu lizin axit amin chứa lưu huỳnh lại thấp Khả tiêu hoá protein: Khả tiêu hoá protein vi sinh vật bị hạn chế thành phần nitơ phi protein (như axít nucleic, peptit thành tế bào) Tuy nhiên protein ñược tách khỏi tế bào khỏi quan tâm Do chất thành tế bào tiêu chuẩn ñể lựa chọn vi sinh vật dùng sản xuất protein vi sinh vật Sự an tồn độc tố: Các vi sinh vật gây bệnh có chứa thành phần gây độc nghi ngờ khơng dùng để sản xuất protein u cầu hàm lượng axít nucleic phải thấp, hàm lượng cao làm giảm giá trị protein Khi tiêu hố axít nucleic phân huỷ tiếp thành nucleotit, sau lại phân huỷ tiếp thành ademin guanin cuối thành axít uric Trong thể người khơng có enzym urinaza uric khơng chuyển hố tiếp Sự tích tụ axít uric gây nên bệnh thấp khớp, tạo sỏi thận, sỏi bàng quang độ hồ tan thấp axít Lượng axít nucleic hấp thụ qua dinh dưỡng khơng qua 2g/ngày Ở động vật vấn đề khơng quan trọng chúng có khả đồng hố axít uric Ta làm giảm lựơng nucleic biện pháp sau: - Giảm mạnh tốc ñộ sinh trưởng - Chiết rút ARN=dung dịch NaCl 10% nóng - Thuỷ phân ARN kiềm tách protein hoà tan kết tủa - Phân huỷ ARN enzym nucleaza ñưa vào thân tế bào Dùng phương pháp gây chống nhiệt theo bước: tế bào đun nóng lên 68oC giây Sau ủ 52,5oC 2giờ cuối 5556oC 1h Việc xử lí làm biến tính riboxom hoạt hố ribonucleaza Các sản phẩm thuỷ phân ñược tách khỏi tế bào, hàm lượng protein khơng bị ảnh hưởng, hàm lượng axít nucleic giảm từ 1-2% lượng vật chất khô tế bào Những vấn ñề kỹ thuật: Vi sinh vật phải dễ tách dễ xử lí Các tế bào lớn nấm men ñược tách li tâm tốt tế bào vi khuẩn Chọn chủng có khả chịu nhiệt làm giảm chi phí cho việc làm nguội Tính khơng mẫn cảm với tạp nhiễm tiền ñề cho việc làm nguội sản xuất protein khơng vơ trùng Ngồi người ta cịn ý ñến khả ñồng hoá ñồng thời nhiều nguồn cacbon khác 3.1.3 Vi sinh vật dùng sản xuất protein ñơn bào 3.1.3.1 Nấm men Trong ñối tượng vi sinh vật ñược sử dụng ñể thu nhận protein nấm men loại nghiên cứu sớm ñến ñã ñược áp dụng rộng rãi nhiều nước Nấm men giàu protein, vitamin (nhất nhóm B) Hàm lượng protein dao ñộng 40-60% khối lượng chất khô Protein nấm men gần giống protein nguồn gốc ñộng vật, chứa khoảng 20 loại aminoacid, ñó ñầy ñủ axit amin không thay Thành phần aminoacid nấm men cân đối lúa mì, chút so với sữa, bột cá sản phẩm ñộng vật nói chung Sử dụng rộng rãi: Candida, Torulopsis, Saccharomyces cacs loại khả chuyển hố chất cao, đa dạng qui trình cơng nghệ đơn giản 3.1.3.2 Nấm sợi Khi dùng nguyên liệu tinh bột xenlulo khơng thể sử dụng nấm men than nấm men khơng chứa enzyme amylaza xenlulaza, dó phải dùng nấm sợi Nấm sợi có nhược điểm thời gian nhân đơi dài hàm lượng protein thấp (khoảng 30%) Nhưng nấm sợi lại có ưu điểm dễ tách sinh khối tạo hương vị ñặc biệt ðể dùng thực phẩm người ta sử dụng lồi Morchella Lồi có vị ngon, phù hợp cho chế biến thực phẩm Tuy nhiên, khó khăn ni cấy Morchella tốn dễ bị nhiễm Hiện nhiều nơi sử dụng hỗn hợp giống Trichoderma virid nấm men Sacch Cerevisiae để sản xuất protein Ngồi ra, người ta cịn sử dụng hỗn hợp Trichoderma virid với Candida utilis Endomycopsis fibuliger với Candida utilis 3.1.3.3 Vi khuẩn Vi khuẩn dùng để sản xuất protein đơn bào thường ni cacbuahydro Người ta thường sử dụng giống Pseudomonas, Flavobacterium, Mycobacterium, Nocardia Các giống vi khuẩn có khả đồng hố ankal, cacbuahydro béo thơm ðối với nguyên liệu metan ngườita sử dụng giống Methylomonas methanica, Methylococens capsulatus 3.1.3.4 Vi khuẩn lam vi tảo Tất lồi tảo có kích thước nhỏ bé thích hợp với việc sử dụng phương pháp ni cấy vi sinh vật ñều gọi vi tảo Còn vi khuẩn lam trước gọi tảo lam Về qui trình cơng nghệ sản xuất thu sinh khối loại giống Hàm lượng protein chiếm 40-60% lượng chất khơ, chí Spirulina cịn lên ñến 60-70% Hàm lượng aminoacid loại cân đối, gần với protein tiêu chuẩn Ngồi sinh khối lồi tảo cịn chứa nhiều loại vitamin: A, B, K, pantothenic dạng tươi chứa vitamin C Ở Spirulina chứa nhiều B12 nên dùng làm thực phẩm, mỹ phẩm, TAGS (gà cho trứng ñỏ, da vàng) Trong sinh khối vi khuẩn lam chứa kháng sinh nên bảo quản tốt 3.1.4 Qui trình cơng nghệ sản xuất protein ñơn bào 3.1.4.1 Sản xuất protein đơn bào từ vi sinh vật 1.Qui trình cơng nghệ: Ngun liệu xử lí chuẩn bị mơi trường dinh dưỡng Vi sinh vật khiết nuôi cấy vi sinh vật Sản phẩmhồn thiệnxử lítách sinh khốilên men Ngun liệu: Thường sử dụng loại nguyên liệu như: rỉ ñường, nước thải nhà máy sữa, dịch kiềm sunfit, dịch thủy phân gỗ, tinh bột, dextrin, cacbuahydro… Xử lí: bao gồm nhiều cơng đoạn khác phụ thuộc vào loại nguyên liệu chủng vi sinh vật sử dụng: + Làm sạch: (tách tạp chất, loại bỏ phần không cần thiết, làm vi sinh vật) + Làm nhỏ nguyên liệu + Thuỷ phân nguyên liệu (tinh bột, xenlulo…) Chuẩn bị mơi trường dinh dưỡng: Ngồi chất cacbon mơi trường cần phải bổ sung thêm chất dinh dưỡng nguồn nitơ, photpho, kali, magie, nguyên tố vi lượng chất sinh trưởng cao ngô, cao nấm men…Sử dụng hố chất để điều chỉnh pH mơi trường đến giá trị thích hợp Chuẩn bị giống: Ni cấy nhân giống thực phịng thí nghiệm, sau ni cấy tiếp phân xưởng sản xuất Tỉ lệ tiếp giống chuyển cấp 1:10 Thời gian nuôi cấp khoảng 15h Trong trình nhân giống dùng nước amoniac để giữ pH phải sục khí vơ trùng liên tục Trong giai đoạn ý bảo đảm việc khử trùng mơi trường nuôi cấy Lên men: Thường sử dụng phương pháp lên men chìm tiến hành lên men gián ñoạn, liên tục bán liên tục Khi lên men ý ñiều chỉnh yếu tố: to, pH, môi trường dinh dưỡng, O2, phá bọt 7.Tách sinh khối: Tuỳ vào điều kiện cụ thể mà sử dụng phương pháp khác ñể tách sinh khối lọc, lắng, li tâm… Xử lí sinh khối: Tuỳ vào mục đích sử dụng mà q trình xử lí sinh khối gồm cơng đoạn sau: + Rữa + Chiết rút protein (loại bớt ARN phương pháp khác nhau) + Sấy: tốt dùng phương pháp sấy phun 3.1.4.2 Sản xuất sinh khối tảo: ðặc ñiểm tế bào loại tảo có diệp lục tố nên chúng có khả quang hợp Phản ứng quang hợp tảo: CO2 + 4H2O CH2O + 3H2O + O2 Sự cố ñịnh khử CO2 thành hydratcacbon tảo theo chu trình Kalvin Ni tảo ngồi việc cung cấp protein cịn có tác dụng tránh ñược làm giàu dinh dưỡng ñối với thuỷ vực nước thải ñược làm vi khuẩn gây nên (tránh tích tụ chất khống NH4+, NO3-, PO43-…) Yêu cầu tảo giống: - Tốc ñộ sinh trưởng nhanh - Năng suất quang hợp cao - Có sức chống chịu với điều kiện ngoại cảnh - Sinh khối có thành phần hố học thích hợp - Tế bào trạng thái huyền phù, không dính bết vào thành bể lắng xuống đáy - Dễ tách sinh khối (nhờ vớt, lọc) Các loại tảo thường dùng: - Vitảo: Chlorela, Scendemus, Dunaliella - Vi khuẩn lam: Spirulina Công nghệ nuôi : * Qui trình cơng nghệ: Chuẩn bị mơi trường cấy tảo giống ni tảo thu hoạch * Mơi trường: để chuẩn bi mơi trường ni tảo người ta sử dụng nước máy, nước biển, nước thải qua xử lí Cần bổ sung thêm chất khoáng cần thiết vào môi trường cho tảo phát triển * ðiều kiện nuôi: tảo thích hợp với mơi trường có pH = 8,5÷10 nhiệt độ 20÷400C Trong q trình ni bảo đảm cung cấp ñủ ánh sáng CO2 * Thu hoạch: thu hoạch tảo cách lọc, vớt cào ðể tận dụng hết chất khoáng người ta sử dụng lại mơi trường sau tách tảo 3.2 Sản xuất nấm men bánh mì: Nấm men bánh mì sinh khối chủng Sacch.cerevisiae cịn sống 3.2.1 u cầu giống nấm men bánh mì - Sinh sản nhanh - Chịu mơi trường rỉ đường - Có lực làm nở bột cao: có khả lên men đường sacarose, glucese, maltose, có hoạt lực zimaza maltaza cao - Ít bị thay ñổi bảo quản - Tế bào lớn ñể dễ tách sinh khối Hoạt lực zimaza maltaza thời gian (phút) để sinh 10ml khí CO2 lên men dung dịch 5% ñường glucoza maltoza men ép với tỉ lệ 2,5% so với lượng dịch đường 3.2.2 Cơng nghệ sản xuất: Qui trình cơng nghệ: Chuẩn bị môi trường dinh dưỡng cấy giống nuôi tách nấm men xử lí thành phẩm Chuẩn bị môi trường dinh dưởng: Người ta thường sử dụng rỉ ñường ñể làm môi trường nuôi cấy nấm men bánh mì Trước pha mơi trường cần phải xử lí rỉ đường Rỉ đường nghèo chất dinh dưỡng, đặc biệt chất cung cấp nguồn nitơ photpho phải bổ sung Ngồi ra, để tăng sinh khối nhanh mơi trường cần phải có số vitamin như: biotin, inositon, axit pentotenic.v.v Cấy giống: Giống phải bảo đảm u cầu ni cấy trước cho đủ số lượng tế bào Q trình ni cấy giống cần thực nghiêm ngặt chế ñộ vô trùng nhu cầu dinh dưỡng nấm men Ni nấm men: Mục đích giai đoạn tạo lượng sinh khối lớn có hoạt lực cao ðể nấm men sinh trưởng phát triển tốt q trình lên men cần đến yếu tố như: nhiệt độ giữ khoảng 27÷300C; pH mơi trường 4÷5,5; cung cấp đầy đủ oxy; bảo ñảm nồng ñộ thành phần chất dinh dưỡng theo yêu cầu; nồng ñộ tế bào nấm men tích luỹ phải đạt mức thích hợp Thu nhận sinh khối: Sau lên men xong tiến hành tách sinh khối Có thể tách sinh khối cách lọc li tâm 6 Xử lí nấm men: Tuỳ theo yêu cầu sản phẩm (ướt khô) mà q trình xử lí khác ðể thu nhận nấm men ướt tiến hành rửa sinh khối thu đem ép Nấm men ướt khó bảo quản thời gian bảo quản không lâu ðể bảo quản lâu cần phải sấy khơ nấm men Khi sấy nấm men ý khơng để nhiệt độ sấy vượt 300C 3.2.3 Sản xuất men nước: Nguyên liệu: bột, malt chế phẩm amylaza nấm mốc Môi trường nhân giống: bột trộn nước (tỉ lệ 1:3) nấu chin làm nguội 48-50oC bổ sung chế phẩm amylaza (3% malt 0,8 ÷ 1% chế phẩm enzym nấm mốc Asp.awamori Asp.oryzae dịch giống vi khuẩn Giữ 8-14 giờ, mơi trường đạt tới 11 ÷ 12o axít (1o=1ml NaOH 1N/100ml) đưa vào cấy nấm men Dịch giống vi khuẩn: lấy nước malt có nồng độ 12oBx thêm CaCO3 Cấy vi khuẩn Lactobacterium Delbruckii giữ nhiệt ñộ 50 ÷ 52oC 1÷2 ngày Trước đưa vào sử dụng phải nhân giống tiếp Cấy nấm men: mơi trường sau axít hố làm nguội ñến 28o 30 C tiếp giống nấm men ñã ni cấy trước vào (tỉ lệ 5÷10%), giữ nhiệt độ 14÷15 khơng sục khí sục khí gián ñoạn Ở nhiệt ñộ vi khuẩn lactic ngừng tích tụ axít Nấm men sử dụng đường axít để tăng trưởng sinh khối Trong mơi trường có axít nấm men phát triễn tốt hạn chế vi sinh vật lạ CHƯƠNG IV: SẢN XUẤT AXIT AMIN Axit amin thường bổ sung vào thức ăn cho người gia súc Với mục đích người ta cần đến axit amin khơng thay Trong đó, quan trọng axit amin L-lyzin, L-triptophan, L-methionin, L-treonin Phần lớn loại protein ñược khai thác từ thực vật thiếu axit amin axit amin khác Vì thế, việc bổ sung axit amin vào thực phẩm làm tăng giá trị protein Ngoài ra, axit amin cịn có tính chất làm tăng mùi vị sản phẩm thực phẩm 4.1 Các phương pháp sản xuất axit amin: 4.1.1 Phương pháp tổng hợp hố học: Phương pháp dùng để sản xuất số axit amin như: glyxin, alanin, metyonin, triptophan Phương pháp tổng hợp hoá học thường cho hỗn hợp dạng ñồng phân L- D-axit amin Trong dạng có dạng L-là thích hợp cho dinh dưỡng Do việc tách dạng khó khăn trở nên tốn  ... nên dùng làm thực phẩm, mỹ phẩm, TAGS (gà cho trứng ñỏ, da vàng) Trong sinh khối vi khuẩn lam chứa kháng sinh nên bảo quản tốt 3. 1.4 Qui trình cơng nghệ sản xuất protein đơn bào 3. 1.4.1 Sản xuất... PO4 3- ? ??) Yêu cầu tảo giống: - Tốc ñộ sinh trưởng nhanh - Năng suất quang hợp cao - Có sức chống chịu với điều kiện ngoại cảnh - Sinh khối có thành phần hố học thích hợp - Tế bào trạng thái huyền... lắng xuống đáy - Dễ tách sinh khối (nhờ vớt, lọc) Các loại tảo thường dùng: - Vitảo: Chlorela, Scendemus, Dunaliella - Vi khuẩn lam: Spirulina Công nghệ nuôi : * Qui trình cơng nghệ: Chuẩn bị