BỘT
Tinh bột (starch): là carbohydrate dự trữ phổ biến nhất trong thực vật, nguồn nguyên liệu có nguồn gốc nông nghiệp như gạo, ngô (đã tách phôi), sắn, khoai tây, đại mạch, yến mạch, cao lương…, được sử dụng để sản xuất đường glucose. Trước khi đưa vào khâu đường hóa, nguồn tinh bột phải được qua xử lý như nghiền nhỏ hoặc vỡ mảnh, nấu chín.
− Tinh bột được cấu tạo từ 2 loại polysaccharid:
• Amylose: chuỗi gồm hàng nghìn đơn vị β-D-glucose nối nhau theo liên kết (1 4), mạch thẳng, rất ít phân nhánh.
• Amylopectin: có phân tử lượng lớn hơn khoảng 106 -107 gồm 5000-50000 đơn vị glucose và phân nhánh nhiều. Các đơn vị α-D-glucose trong mạch nối với nhau theo liên kết (14), chỗ phân nhánh thì theo liên kết (16).
Tinh bột từ tất cả các nguồn thực vật thường ở dạng hạt. Các loại hạt khác biệt rõ rệt về kích thước và các tính chất vật lý. Những khác biệt về mặt hoá học là không rõ nét. Sự khác biệt chính là tỷ lệ giữa amylose và amylopectin; ví dụ như tinh bột ngô từ ngô sáp chỉ chứa 2% amylose nhưng từ ngô vàng là khoảng 80% amylose. Một số tinh bột, ví
dụ khoai tây, có chứa một lượng nhỏ phosphat (khoảng 0,2%), có tác dụng đáng kể đến tính chất vật lý của tinh bột, nhưng không can thiệp vào sự thủy phân.
Thủy phân tinh bột:
Phương trình phản ứng thủy phân tinh bột thành đường glucose:
(C6H10O5)nH2O + (n-1)H2O → nC6H12O6 (n ≥ 1)
MW: (162n + 18) 180n
Hiệu suất đường hóa = 180n/(162n + 18)
Tùy theo loại tinh bột mà n có khoảng giá trị khác nhau. Do vậy, đối với mỗi loại tinh bột thì hiệu suất đường hóa cực đại khác nhau. Hiệu suất đường hóa lớn nhất khi toàn bộ các đơn phân glucose trong phân tử tinh bột được cắt rời hoàn toàn, khi đó số lượng đơn phân trong dung dịch đạt cực đại.
Hiệu suất đường hóa tối đa = lim(180n/(162n + 18)) × 100 = 111,11%
Tác nhân thủy phân tinh bột thành đường glucose có thể là H2SO4 hoặc enzyme. Nhược điểm khi sử dụng H2SO4: hiệu suất thủy phân không cao, kém ổn định, thiết bị sử
dụng đắt tiền, kém an toàn cho công nhân vận hành, dung dịch glucose có độ màu cao, chứa nhiều dư lượng của SO42- gây ảnh hưởng xấu khi sử dụng cho môi trường lên men. Ngày nay, trong công nghiệp sản xuất đường glucose từ tinh bột, người ta thường dùng các enzyme như amyloase, glucose amylase… các enzyme khác nhau hoặc các enzyme nguồn gốc khác nhau thì khả năng thủy phân cũng khác nhau.
Sự thủy phân tinh bột bằng axit đã được sử dụng rộng rãi trong quá khứ. Nhưng hiện nay được thay thế bằng các quá trình enzyme.
Ưu điểm khi sử dụng enzyme (amyloase và glucose amyloase): khi tách chiết amylase từ các chủng vi sinh vật chịu nhiệt được phân lập từ suối nước nóng thì amylase có khả năng chịu nhiệt cao mà không bị mất hoạt tính; năng lượng xúc tác thấp, không yêu cầu cao về thiết bị sử dụng, giảm chi phí cho quá trình tinh sạch đường.
ENZYME NGUỒN TÁC DỤNG
amyloliquefaciens tạo ra α-dextrins và maltose (G2), G3, G6 và G7 oligosaccharides
B. licheniformis
Chỉ cắt liên kết α-1,4 oligosaccharide tạo ra α-dextrins và maltose, G3, G4 và G5 oligosaccharides
Aspergillus oryzae
Chỉ cắt liên kết α-1,4 oligosaccharide tạo ra α-dextrins, maltose và G3 oligosaccharides Saccharifyinga- amylase B.subtilis (amylosacchariticus) Chỉ cắt liên kết α-1,4 oligosaccharide tạo ra α-dextrins với maltose, G3, G4 và lên đến 50% (w/w) glucose
β-Amylase Malted lúa mạch Chỉ cắt liên kết α-1,4 tạo ra dextrins giới hạn và β-maltose
Glucoamylase A.niger Cắt liên kết α-1,4 và α-1,6 cho ra β- glucose
Pullulanase B. acidopullulyticus Chỉ cắt liên kết α-1,6 tạo maltodextrins mạch thẳng
Khi thủy phân tinh bột thành đường glucose bằng enzyme cần thông qua hai giai đoạn:
Quá trình dịch hóa (liquefaction):
Sử dụng enzyme α-amylase để thủy phân tinh bột thành các đoạn oligosacchride mạch ngắn. Phản ứng đuợc thực hiện ở pH 5-6,5, nhiệt độ 70-105oC trong thời gian khoảng 90-120 phút với tỷ lệ enzyme sử dụng là 0,8-1,3 L/t DS. Nồng độ tinh bột trong dịch bột thích hợp cho phản ứng là 30-35%. Sản phẩm của quá trình dịch hóa là dung dịch chứa các oligosacchride với DE (dextrose equivent) khoảng 12-20%. Với thành phần này thì sẽ rất thuận lợi cho giai đoạn phân cắt tiếp theo.
Quá trình đuờng hóa (saccharification):
− Phản ứng thủy phân đuợc thực hiện bởi enzyme glucose amylase, có đặc điểm là thủy phân các oligosaccharide thành các đơn phân glucose.
− Phản ứng diễn ra ở pH 4,0-4,5, nhiệt độ tối ưu khoảng 60-62oC. Với tỷ lệ enzyme sử dụng 0,35-0,5 L/t DBS (dried base starch) thì sau khoảng thời gian 60-80 giờ sẽ thu đuợc dung dịch đường glucose với hiệu suất đuờng hóa đạt khoảng 110%.
VII. XỬ LÝ MẬT RỈ MÍA ĐƯỜNG TẠO DUNG DỊCH ĐƯỜNG PHỤC VỤ CHO LÊN MEN
1. Khái niệm, thành phần:
Rỉ đường hay rỉ mật, mật rỉ, mật rỉ đường, còn được gọi ngắn gọn là mật, là chất lỏng đặc sánh còn lại sau khi đã rút đường bằng phương pháp cô và kết tinh. Đây là sản phẩm phụ của công nghiệp chế biến đường (đường mía, đường nho, đường củ cải). Chất lượng của rỉ đường phụ thuộc vào độ chín của mía hoặc củ cải nguyên liệu, lượng đường chiết được và phương pháp chiết đường.
Thành phần mật rỉ đường mía (cane molasses) ở Việt Nam: Hàm lượng đường tổng số 46-60
Hàm lượng Ca2+ 0,3-1,2 Hàm lượng K+ 1,8-5,0 Màu l400nm (*250) 0,2-1,3 Tỷ trọng 1,4-1,7
2. Phương pháp xử lý mật rỉ đường trước khi dùng cho qui trình lên men:
Một số chủng vi sinh vật có thể sử dụng đường sucrose trực tiếp cho qui trình lên men (những chủng có hệ enzyme SPT…).Tuy nhiên, một số chủng chỉ sử dụng đường đơn glucose hoặc fructose. Có nhiều phương pháp để thuỷ phân sucrose:
− Phương pháp thuỷ phân bằng acid (H2SO4) − Phương pháp dùng enzyme invertase
2.1. Phương pháp thuỷ phân bằng acid H2SO4
Thông thường H2SO4 được sử dụng để thủy phân đường sucrose thành đường glucose và fructose. Mặt khác, trong thành phần của mật rỉ đường có chứa làm lượng Ca2+ rất cao, gây ức chế cho sự tăng trưởng của vi sinh vật cũng như ảnh hưởng không tốt đến quá trình lên men cũng như thu hồi sản phẩm sau lên men. Loại bỏ Ca2+ bằng việc sử dụng H2SO4 do gốc SO42- sẽ phản ứng với Ca2+ để tạo muối CaSO4 ít tan và có thể loại khỏi dung dịch đường bằng cách ly tâm.
Sucrose + H+ → Glucose + Fructose Ca2+ + SO42- → CaSO4 (ít tan)
Qui trình thực hiện:
Pha loãng mật rỉ đường về nồng độ thích hợp (thường từ khoảng 35-40%) → bổ sung H2SO4 (pH =2.5 → 3.0, t0= 50-600 C, trong 48-60h) → ly tâm ở 2000- 3000g (để loại CaSO4).
Hiệu suất thủy phân glucose = 98%.
Lưu ý: trường hợp hàm lượng K+ trong mật rỉ đường quá cao, tạo nhiều K2Ca(SO4)2, cần phải tăng lực ly tâm để tách loại triệt để.
2.2. Phương pháp dùng enzyme invertase
− Invertase là một loại enzyme thủy phân saccharose được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp nước giải khát và bánh ngọt. Invertase có trong động thực vật, vi sinh vật và đặc biệt là nấm men có khả năng tổng hợp invertase cao.
− Phản ứng thủy phân saccharose do invertase xúc tác như sau:
Saccharose α-Glucose + β-Fructose (đường khử)
− Quy trình: nhân giống ngoài sản xuất có thể không tiệt trùng nhưng phải có độ pH ổn định là 4,0. Gây men giống có thể thực hiện theo các số liệu sau đây:
Dung tích
gây men Nồng độ (%) Nhiệt độ (
oC) Thời gian (giờ) Sục khí Thùng 200- 300 lít 15-16 28-30 15-18 Sục nhẹ Thùng 2000- 3000 lít 17-18 28-30 12-15 Sục mạnh Thùng 10000 lít (khi lên men liên tục) 17-18 28-30 8-10 Sục mạnh 3- 4 m3/m3.giờ Công dụng:
− Phụ gia trong chế biến thức ăn chăn nuôi.
− Bổ sung vào đất trồng để tăng hoạt tính sinh học của đất. − Xử lý rác thải.
− Sử dụng trong thủy canh để cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, gồm các loại carbohydrat là thành phần chủ yếu cấu tạo nên tế bào thực vật và cây trồng có thể sử dụng nhanh như deoxyribose, lyxose, ribose, xylulose và xylose.
VIII. TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Tài liệu nước ngoài
Principles of fermentation technology second edition, P.F.Stanbury, A.Whitaker and S.J. Hall.
• Tài liệu tiếng Việt
1 “Ảnh hưởng của một số yếu tố lên quá trình thu nhận chế phẩm amylase ngoại bào từ Bacillus subtilis DC5”, Phạm Trần Thùy Hương và cộng sự, tạp chí khoa học Đại học Huế.
2 “Công nghệ sản xuất mì chính và các sản phẩm lên men cổ truyền”, Nguyễn Thị Hiền, Đại học bách khoa Hà Nội.
3 Công nghệ lên men, PGS.TS Lương Đức Phẩm
4 “Nghiên cứu môi trường sản xuất penicillin từ vi sinh vật”, nhóm sinh viên với sự hướng dẫn của Ths. Nguyễn Thị Lâm Đòan, Đại học lâm nghiệp Hà Nội.
5 Kĩ thuật lên men công nghiệp, Hoàng Văn Quốc Chương, 2011
6 Sinh hóa cơ bản – Phần II, Tủ sách trường Đại học Khoa học Tự nhiên Nguyễn Đình Huyên, Hà Ái Quốc, Đồng Thị Thanh Thu, 2006.
MỤC LỤC
I. GIỚI THIỆU ...2
II. PHÂN LOẠI MÔI TRƯỜNG LÊN MEN...2
III. CÁC THÀNH PHẦN MÔI TRƯỜNG LÊN MEN...4
1. Nước...4
1.1 Yêu cầu nước cho lên men...4
1.2 Xử lí nước...5
1.2.a Lắng đọng và lọc nước...5
1.2.b Đông tụ hay keo tụ...5
1.2.c Làm mềm nước...6
1.2.d Phương pháp trao đổi ion...7
1.3 Khử khuẩn cho nước...9
1.3.a Khử khuẩn bằng clo...9
1.3.b Khử khuẩn bằng ozon...10
1.3.c Khử khuẩn bằng tia cực tím (UV)...10
2. Nguồn năng lượng...10
3. Nguồn carbon...15
4. Nguồn nitrogen...16
5. Các nguyên tố khoáng trung – vi lượng...19
6. Chelator (chất kìm)...22
7. Nhân tố tăng trưởng...23
8. Các chất đệm pH...23
9. Chất tiền thân...24
11. Chất cảm ứng...25
12. Yêu cầu về oxy...26
IV. THIẾT KẾ MÔI TRƯỜNG LÊN MEN...27
1. Yếu tố đa lượng...27
2. Yếu tố vi lượng...28
MỘT SỐ MÔI TRƯỜNG THÔNG DỤNG...32
1. Môi trường sinh tổng hợp Amylase...32
2. Môi trường sản xuất glutamic acid...33
3. Môi trường sản xuất penicillin...34
4. Môi trường sản xuất endotoxin từ Baccillus thuringiensis...35
5. Môi trường lên men L-lysine từ rỉ đường...36
V. ĐÁNH GIÁ MÔI TRƯỜNG...36
VI. PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG HÓA TẠO DUNG DỊCH GLUCOSE TỪ TINH BỘT...36
VII. XỬ LÍ MẬT RỈ MÍA ĐƯỜNG TẠO DUNG DỊCH ĐƯỜNG PHỤC VỤ LÊN MEN...40
1. Khái niệm, thành phần...40
2. Phương pháp xử lí mật rỉ đường trước khi dùng cho quy trình lên men...40
2.1 Phương pháp thủy phân bằng acid H2SO4...40
2.2 Phương pháp thủy phân dùng enzyme...41