Nghiên cứu quá trình lên men axit lactic từ rơm lúa

1 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG    NGUYỄN VĂN TUYÊN NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH LÊN MEN AXIT LACTIC TỪ RƠM LÚA Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ ĐỒ UỐNG Mã số : 60.54.02 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT - ĐÀ NẴNG, NĂM 2011 - 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TRƯƠNG THỊ MINH HẠNH Phản biện 1 : PGS.TS. LÊ THỊ LIÊN THANH Phản biện 2 : PGS.TS. TRẦN THỊ XÔ Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 26 tháng 07 năm 2011 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - H ọc liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Cây lúa luôn giữ vị trí trung tâm trong nông nghiệp và kinh tế Việt Nam. Hình ảnh ñất Việt thường ñược mô tả như là một chiếc ñòn gánh khổng lồ với hai ñầu là hai vựa thóc lớn là Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng. Việc sản xuất lúa gạo ñã tạo ra một lượng lớn phế phẩm từ cây lúa bao gồm rơm và trấu. Phần lớn lượng phế phẩm này ñược bón trở lại ruộng sau khi thu hoạch, sử dụng làm chất ñốt cho các hộ nhà nông hoặc làm thức ăn cho gia súc … Bên cạnh ñó một lượng không nhỏ rơm rạ bị thải ra làm ô nhiễm môi trường. Với những ứng dụng Công nghệ Sinh học ñã sử dụng những phế liệu này tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị như etanol, phân vi sinh, nấm.v.v. và ñặc biệt là axit lactic ñược quan tâm nhiều trong những năm gần ñây. Nhu cầu axit lactic ngày càng nhiều, bởi vì chúng ñược ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực như bảo quản và chế biến thực phẩm, trong y học, môi trường trong công nghiệp nhẹ, axit lactic là dung môi cho công nghiệp sản xuất sơn, vecni, nhuộm và thuộc da, trong y học và dược học, kết hợp với sự phát triển của công nghệ sinh học và di truyền, axit lactic ñược nghiên cứu nhằm sản xuất phục vụ những nhu cầu thiết yếu về sức khỏe của con người. Trong phẫu thuật chỉnh hình, các hợp chất cao phân tử tổng hợp từ axit lactic và những dẫn xuất của nó là những chất liệu cấy ghép sinh học thích hợp và hiệu quả cao. Canxi lactat là loại dược phẩm nhằm bổ sung canxi d ưới dạng dễ hấp thu cho cơ thể. Sắt lactat ñược sử dụng ñể chữa bệnh thiếu máu. Trong công nghiệp rượu, axit lactic ñược 4 dùng dưới dạng muối của canxi. Đặc biệt là gần ñây, các nhà khoa học trên thế giới ñã nghiên cứu tổng hợp nhựa axit polylactic (PLA) – một loại nhựa sinh học từ axit lactic thân thiện với môi trường. PLA là sự lựa chọn thích hợp thay cho nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ, vì nó vừa có thể phân huỷ ñược, vừa ít ñộc tính ñối với con người. PLA ñược sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bao bì phân bón, thực phẩm và các loại bát, ñĩa dùng một lần.…[6], [25], [33] Tổng thị trường thế giới về axit lactic 86.000 tấn vào năm 2001, 500.000 tấn vào năm 2010. Ở Việt Nam: vào năm 2006, ñại diện công ty dược IIdong (Hàn Quốc) xuất khẩu một số luợng lớn chế phẩm axit lactic sang hãng MERAP phân phối ñược ở Việt Nam với giá trị hợp ñồng 3,7 triệu USD [37], [38], [39]. Chính vì những thực tế trên, chúng tôi mạnh dạn chọn ñề tài “Nghiên cứu quá trình lên men axit lactic từ rơm lúa” là một việc làm cấp thiết hiện nay. 2. Mục ñích nghiên cứu - Xác ñịnh các thông số công nghệ tốt nhất như nồng ñộ dịch ñường, tỉ lệ giống vi khuẩn, thời gian lên men… cho quá trình lên men axit lactic bằng cách sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa nhằm thu ñược hàm lượng axit lactic sau lên men là cao nhất. 3. Đối tượng nghiên cứu - Sử dụng rơm làm nguồn nguyên liệu chính ñể tiến hành thủy phân thu nhận dịch ñường và tiến hành lên men axit lactic dịch ñường ñã thủy phân. 5 4. Phạm vi nghiên cứu - Lên men axit lactic từ rơm ñược thu nhận ở ñồng lúa Quế Xuân, Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam. - Quá trình lên men ñược thực hiện với chủng giống vi sinh vật là Lactobacillus casei 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lấy mẫu, chuẩn bị mẫu và bảo quản mẫu. - Phương pháp hóa lý - Phương pháp hóa học - Phương pháp hóa sinh - Phương pháp vi sinh vật - Phương pháp toán học 6. Ý nghĩa khoa học của ñề tài - Phân tích và xác ñịnh hàm lượng ñường của dịch sau thủy phân và xác ñịnh hàm lượng axit lactic bằng các phương pháp hóa học. - Tối ưu hóa các ñiều kiện lên men bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phương pháp tối ưu nhằm thu ñược hàm lượng axit lactic là cao nhất. 7. Ý nghĩa thực tiễn của ñề tài - Tận dụng lượng phế phẩm rơm rạ trong nông nghiệp ñể tạo ra nguồn nguyên liệu chính ñể sản xuất axit lactic. - Giải quyết ñược vấn ñề ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe c ộng ñồng, nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất. - Tăng nguồn thu nhập cho người nông dân 6 - Giảm lượng axit lactic ngoại nhập, chủ ñộng sản xuất, tiết kiệm ngoại tệ. 8. Kết cấu luận văn Ngoài phần mở ñầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục trong luận văn bao gồm các chương như sau: + Chương 1: Tổng quan + Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu + Chương 3: Kết quả và thảo luận + Chương 4: Kết luận và kiến nghị. 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về axit lactic 1.2. Vi sinh vật lên men lactic 1.3. Cơ sở của qúa trình lên men axit lactic 1.4. Nhu cầu dinh dưỡng của vi khuẩn lactic và các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình lên men 1.4.1. Nhu cầu dinh dưỡng cacbon 1.4.2. Nhu cầu dinh dưỡng nitơ 1.4.3. Nhu cầu về các chất hữu cơ 1.4.4. Nhu cầu các muối vô cơ 1.4.5. Ảnh hưởng của ñiều kiện lên men 1.4.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ 1.4.5.2. Ảnh hưởng của pH 1.4.5.3. Vi sinh vật tạp nhiễm trong quá trình lên men 1.5. Ứng dụng của axit lactic 1.5.1. Trong bảo quản và chế biến thực phẩm 1.5.2. Trong y học 1.5.3. Trong môi trường 1.5.4. Trong mỹ phẩm 1.6. Tình hình nghiên cứu axit lactic trên thế giới 1.7. Những nghiên cứu trong nước 1.8. Rơm và dịch thủy phân từ nghuyên liệu rơm 1.8.1 Rơm 1.8.1.1. Xenluloza 1.8.1.2. Hemixenluloza 1.8.1.3. Lignin 1.8.2. D ịch thủy phân xenluloza 8 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu - Rơm ñã qua tiền xử lý Quá trình tiền xử lý rơm ñược tiến hành như sau [4]: Rơm Rửa sạch và phơi 2 ngày Cắt thành ñoạn (1→ 2cm), lấy 20g 200 ml dung dịch NaOH 1% Trung hòa bằng axit axetic 1% Rửa sạch và sấy (65 0 C, 2 ngày) Xay (0,5 → 1mm) Tiền xử lý trong lò vi sóng (700 W, 30 phút) Cốc 500ml Rơm sau tiền xử lý 9 2.2. Enzym Enzym ñược sử dụng là enzym cellusoft có nguồn gốc từ Novo Norzyme – Đan Mạch. Enzym này ñược chúng tôi mua tại công ty TNHH Nam Giang, 133/11 Hồ Văn Huệ, quận Phú Nhuận với tên thương mại là Cellusoft L, có dạng lỏng, màu nâu ñỏ. Đây là một chế phẩm cellulase ñiều chế bằng phương pháp lên men chìm với hoạt tính biểu thị 1500 NCU/g. Hoạt tính biểu thị này ñược xác ñịnh theo phương pháp phân tích của NovoNorzym, AF 187.2. Các thông số của enzyme Cellusoft L: - Nhiệt ñộ hoạt ñộng tối ưu 50 0 C - pH hoạt ñộng tối ưu 4.8 2.3 Vi khuẩn lactic Vi khuẩn lactic ñược sử dụng là chủng Lactobacillus casei CNTP 6545 do Viện sinh học, 18 Đường Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội cung cấp 2.4 Thiết bị, hóa chất . Thiết bị: - Tủ sấy: dùng ñể sấy nguyên liệu và dụng cụ - Máy so màu - Một số thiết bị thông dụng khác như: Tủ cấy Laminar; Nồi hấp thanh trùng Hirayama HVE-50; Cân ñiện tử Excell; Tủ ấm Memmert; Máy lắc Edmund Buhler Gmbtt… Hóa chất: Sử dụng các hóa chất trong phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng và một số hóa chất liên quan mua tại Đà Nẵng và TP. Hồ Chí Minh. 2.5. Ph ương pháp nghiên cứu 2.5.1. Phương pháp hóa học 10 2.5.1.1. Xác ñịnh hàm lượng axit lactic bằng phương pháp hóa học [12] 2.5.1.2. Xác ñịnh hàm lượng ñường khử bằng phương pháp so màu sử dụng axit dinitro salicylic (DNS) [6]. 2.5.2. Phương pháp tiền xử lý và thủy phân rơm [7]. 2.5.3. Môi trường lên men lactic [20]. 2.5.4. Phương pháp lên men lactic 2.5.5. Phương pháp xử lý sau lên men ñể ñịnh lượng axit lactic 2.5.6. Phương pháp vi sinh vật 2.5.6.1. Phương pháp hoạt hóa vi khuẩn 2.5.6.2. Phương pháp xác ñịnh gián tiếp số lượng tế bào bằng cách ñếm các khuẩn lạc phát triển trên môi trường thạch [10]. 2.5.6.3. Phương pháp chuyển giống sang môi trường lên men. 2.5.7. Phương pháp toán học . cần bổ sung vào quá trình thủy phân lại nhiều hơn. 3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình lên men lactic Trong quá trình lên men lactic, dưới. mạnh dạn chọn ñề tài Nghiên cứu quá trình lên men axit lactic từ rơm lúa là một việc làm cấp thiết hiện nay. 2. Mục ñích nghiên cứu - Xác ñịnh các thông