Trên thế giới hiện nay có rất nhiều những nghiên cứu liên quan đến việc cố định nấm men trên bã mía để sản xuất ethanol, xylitol….
Nghiên cứu về chất lượng rượu vang sản xuất bằng nấm men Saccharomyses cerevisae CF TRI 101. cố định trên bã mía
Nghiên cứu này do Lebaka Veeranjaneya Reddy &Lebaka Prasannanjaneya Reddy & Young-Jung Wee &Obulam Vijaya Sarathi Reddy thực hiện. Nhằm khảo sát quá trình chuyển hóa của nấm men cố định. Chất lượng sản phẩm tạo thành, tỷ lệ lên men và khả năng tồn tại của tế bào
Qua nghiên cứu cho thấy, mật độ tế bào gắn vào bã mía là 3x107 tế bào/g bã mía khô. Có thể tái sử dụng đến 20 lần, sau mỗi lần tái sử dụng, khả năng thích ứng với môi trường của nấm men càng cao. Tuy nhiên năng suất có sự suy giảm sau ba lần tái sử dụng, do tế bào nấm men đã được đồng nhất, ít lẫn vào môi trường nên sự trao đổi có phần khó khăn. Khối lượng bã mía liên tục suy giảm, nhưng từ lần thứ 8 trở di thì khối lượng không đổi, nguyên nhân có thể do ban đầu đường còn sót lại trong bã mía về sau nấm men đã sử dụng hết.
Hình 3.1. Đồ thị cho thấy sự giảm khối lượng bã mía theo thời gian [8]
Thời gian lên men được rút ngắn: 30oC – 24h, 10oC – 98h. Năng suất ethanol 4,2g/l/h, tăng 3,33 lần ở 30oC, và 2,31 lần ở 10oC. Theo khảo sát thì, năng suất đã tăng trong diều kiện nhiệt độ thấp (10oC – 15oC), nguyên nhân có thể do sự thích nghi của tế bào nấm men cố định cao hơn.
Chương 2: Tổng quan
Đối với các hợp chất dễ bay hơi như ethyl acetate, methanol, acetaldehyde, amyl alcol, các lọai rượu khác ( propanol, butanol) có sự thay đổi đáng kể khi thay đổi điều kiện. Acetaldehyde 15 – 36 mg/l cao hơn tiêu chuẩn bình thường 13 – 40 mg/l tuy nhiên vẫn chấp nhận được. Isobutanol giảm đáng kể khi giảm nhiệt độ. Ethyl acetate tăng khi giảm nhiệt độ, có khi lên đến 88mg/l – 10oC ( lần thứ 12), nó là một chất có ảnh hưởng tích cực đến tính cảm quan của rượu. Methanol 45 – 76 mg/l thấp hơn nồng độ bình thường có trong rượu 100 – 200mg/l. Amyl alcohol giảm khi giảm nhiệt độ.
Theo nghiên cứu trên, cho thấy bã mía là chất mang tuyệt vời cho ngành sản xuất rượu vang vì nhiều ưu tính. Nấm men cố định trên bã mía có thể thích nghi tốt trong điều kiện nhiệt độ thấp, không gây ảnh hưởng xấu đến quá trình lên men. Hiệu quả kinh tế rất cao, có thể ứng dụng trong sản xuất nhiều loại rượu trái cây, đặc biệt ở vùng nhiệt đới bã mía là nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm. Ngoài ra trong những nghiên cứu xa hơn, người ta có thể ứng dụng nó trong công nghiệp probiotic.
Nghiên cứu: “ Sử dụng nấm men cố định trên thân mía, để sản xuất ethanol bằng phương pháp lên men liên tục”.
Một trong những quốc gia nghiên cứu nhiều về vấn đề này là Brazil. Nhóm tác giả J. N. de Vasconcelos, C. E. Lopes and F. P. de França, đã nghiên cứu cố định nấm men trên thân cây mía để ứng dụng vào việc sản xuất ethanol, phương pháp lên men liên tục với công nghệ cải tiến nhất của quốc gia. Thời gian lên men rút ngắn từ 18 – 24h, còn 5 – 8h, hiệu suất tăng từ 70% - 80% lên 88% - 92%. Tuy nhiên sản lượng thấp nên phải dùng phương pháp lên men liên tục .
Theo nghiên cứu này, họ sử dụng thân cây mía dài 2,0cm để làm chất mang cố định. Sử dụng môi trường mật rỉ để lên men, pH =4,2, có bổ sung acid sulphuric, và chất kháng khuẩn Kamoran HJ 10ppm, hoặc penicillin 10ppm và tetracyline 10ppm.
Nghiên cứu này khảo sát hiệu suất lên men liên tục trong fermenter 3,5L với những nồng độ pha loãng khác nhau khi sử dụng nấm men cố định, và hoạt động của nấm men trong môi trường pha loãng.
Ban đầu, pha loãng môi trường ở nồng độ 111,67 ÷ 1,5 g/l, pH = 4,21÷ 0,14 mật độ tế bào nấm men sử dụng trong thí nghiệm 2x108 tế bào/ml. Phải xử lý thân mía trước khi tiến
Chương 2: Tổng quan
hành cố định, thân mía dài 2cm, đường kính 2,57 ÷ 0,34cm, rỗ khí đạt 49,26 ÷ 2,34%. Tại thời điểm cố định mật độ trong thân là 1,02÷ g/cm3, ở vỏ là 1,02 ÷ 0,01g/ml.
Kết quả cho thấy, nấm men cố định trên thân cây mía ổn định đến 60 ngày, khi tỷ lệ pha loãng biến dổi từ 0,05 h-1, đến 3 h-1 . Nồng độ tế bào đạt 109 tế bào / g thân mía khô khi fermenter hoạt động ở nồng độ pha loãng cao nhất 3 h-1.
Nồng độ pha loãng thích hợp nhất là 0,83 h-1, tại nồng độ này hiệu quả lên men đạt 85,56%, nồng độ ethanol dao động trong khoảng 36 – 40g/l, tổng lượng đường chuyển đổi 74,61%, sản phẩm phụ sinh ra là 29,64g/l. Với tỷ lệ pha loãng này mở đầu cho cuộc cải tiến trong lĩnh vực công nghiệp hoặc phi công nghiệp.
Hình 3.2. Đánh giá các thông số của quá trình lên men rượu liên tục trên thân cây mía với các nồng độ pha loãng. [10]
TRSf: tổng lượng đường trong môi trường (g/l). Ethanol: hàm lượng ethanol sinh ra (g/l).
Ef. Fern: hiệu quả lên men dựa trên lượng đường tiêu thụ (%).
P: năng suất ethanol, tính theo lượng chất lỏng trong môi trường (g/l.h) P = EF V/V, EF: nồng độ ethanol.
Nghiên cứu: “Sử dụng nấm men cố định trên bã mía để sản xuất Xylitol”
Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm tác giả: Diego T. Santos , Boutros F. Sarrouh , Juan D. Rivaldi, Attilio Converti , Silvio S. Silva, năm 2007.
Xylitol là chất ngọt , có độ ngọt cao, chống sâu răng, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thực phẩm và y sinh. Xylitol ứng dụng để điều trị phần lớn các loại bệnh lý khác nhau
Chương 2: Tổng quan
như viêm da dị ứng ( Masako et al. 2005a. b ), viêm tai giữa cấp tính ( Kontiokari et al. 1998 ), thiếu máu tán huyết (Wang và Van Eys, 1981), xơ nang (Zabner et al. 2000). Ngày nay xylitol được sản xuất bắng cách hydro hóa D – xylose, nhưng phương pháp này khá đắt tiền do phải thực hiện ở nhiệt độ cao, áp suất cao và trải qua nhiều bước thanh lọc nguyên liệu ( Winkelhausen và Kusmanova, 1998). Chính ví lý do đó, đã dẫn đến nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện sản xuất bằng phương pháp rẽ hơn, thủy phân hemicelluloses, và trong sản phẩm còn lẫn sản phẩm thủy phân lignocellulosic, tuy nhiên hàm lượng này có thể điều chỉnh sao cho hợp lý.
Những nghiên cứu sau này áp dụng nấm men sản xuất xylitol, Saccharomyces cerevisiae, Candidaspp mặc dù năng suất thu được không bằng phương pháp hóa học. Tuy nhiên lợi thế của phương pháp là cho người tiêu dùng sản phẩm từ D – xylose tự nhiên, và giảm được quá trình oxy hóa sản phẩm. Những nhà khoa học vào cuộc nhằm nghiên cứu biện pháp tăng năng xuất, và phương pháp cố định là một trong số đó. Đối với mục đích công nghiệp, ngưới ta quan tâm nhiều đến sản phẩm phụ và khả năng tái sử dụng phụ phẩm, vật liệu chứa lignocellulosic được sử dụng như chất mang tế bào, và bã mía có hàm lượng lignocelluloses cao nhất đã được sử dụng.
Nghiên cứu này đã đóng góp một phần to lớn cho sự phát triển sản xuất xylitol nhờ sự thủy phân hemicellulose của tế bào Candida guilliermondii cố định trên bã mía. Tế bào cố định trên khung lignocelluloses, do đó khâu tiền xử lý khá quan trong nhằm tăng ái lực của lignocelluloses. Bã mía được cắt nghiền, di qua tấm lứoi lọc 1,41mm (tiêu chuẩn Tyler), rồi đến lưới 0,5mm. Sau sang lọc rửa bằng nước cất, sấy ở 1000C đến khối lượng không đổi, hấp tiết trùng 1210C, 20’.
Bã mía xử lý với NaOH, sau đó cố định tế bào. Sau 21h, pH = 4 đạt giá trị tối đa là 50,5% và 0,31g tế bào / g bã mía, sau đó giảm mạnh. Tốc độ tăng trưởng của tế bào liên tục tăng trong quá trình cố định, và kết quả lên men cũng rất khả quan: sản lượng xylitol: 0,65g/g , năng suất 0,66 g/l/h ; sinh khối đạt: 0,18 g/g và 0,13 g/l/h. Hiệu suất đạt 70,8%.
Chương 2: Tổng quan
Hình 3.3. Cố định và duy trì hiệu quả tế bào cố định theo thời gian [9] Tế bào cố định (g/g), Hiệu quả duy trì tế bào (%)
Hình 3.4. Tốc độ tăng trưởng theo thời gian của tế bào cố định [9] Tổng lượng tế bào, tế bào đánh dấu, tế bào cố định
Trong quá trình tăng trưởng của tế bào, pH bị giảm xuống, đến 21h xuống thấp hơn pKa của cacboxylic, nên kích thích các nhóm kiềm trên bề mặt tế bào hoạt động , bề mặt tích điện dương, tăng lực đẩy của tế bào và giảm mức độ bám dính trên chất mang.
Chương 2: Tổng quan
Hình 3.5. Sự thay đổi của pH theo thời gian [9]
Hình 3.6. Tế bào Candida guilliermondii cố định trên bã mía sau 24h lên men, dưới kính hiển vi (x400)
Chương 2: Tổng quan
3.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở VIỆT NAM:
Hiện nay ở nước ta, vấn đề cố định nấm men trên bã mía chỉ dừng ở qui mô nghiên cứu nhỏ, chưa được áp dụng vào công nghiệp. Mặc dù vậy, vẫn phải thừa nhận rằng nước ta có nhiều tiềm lực sẳn có để phát triển hướng nghiên cứu cố đĩnh tế bào trên chất mang bã mía vào sản xuất.
Việc cố định tế bào nấm men cũng đạt được thành tựu ở nước ta như: Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, thuộc trường đại học Đà Lạt(Việt Nam) đã nghiên cứu thành công việc cố định nấm men Saccharomyces cerevisea lên giá thể PHEMA ( là một vật liệu hydrogel, một loại polymer gồm nhiều monomer hydroxyethylmethacrylte)
Hơn nữa ngành rượu vang ở nước ta phát triển rất khiêm tốn, phần lớn là sản xuất thủ công truyền thống. Do truyền thống ăn uống của người xưa, nay rượu vang chưa được sử dụng phổ biến. Nguồn nguyên liệu là vấn đề lớn vbì nghề trồng dâu nuôi tằm. Tuy nhiên rượu dâu tằm có nhiều ưu tính cần quan tâm và có tiềm năng phát triển rất lớn.
Chương 3: Tình hình nghiên cứu
CHƯƠNG 4:
KẾT LUẬN
Chương 4: Kết luận
KẾT LUẬN:
Từ những nghiên cứu trên cho thấy, việc ứng dụng bã mía trong cố định tế bào nấm men áp dụng vào sản xuất, đang rất phổ biến, và hiệu suất thu được khá cao. Hướng nghiên cứu mới này rất thích hợp áp dụng ở nước ta nói riêng, các nước châu Á nói chung. Ví những lý do sau:
+ Nguồn nguyên liệu rẻ, dễ tìm + Chất mang an toàn.
+ Hiêu suất cố định khá cao + Khả năng tái sử dụng nhiều + Không ô nhiễm môi trường.
Vì vậy, tế bào cố định trên bã mía có thể ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm: rượu vang, sản xuất xylitol, sản xuất cồn, …với tiềm năng rất lớn.
Chương 4: Kết luận
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1].Nguyễn Đức Lượng, Phan Thị Huyền, Nguyễn Ánh Tuyết (2006), Thí nghiệm công nghệ sinh học tập 2: thí nghiệm vi sinh vật học , Nhà xuất bản Đại học quốc gia TpHCM. [2]. Nguyễn Đức Lượng(2006), Vi sinh vật học công nghiệp, Nhà xuất bản đại học quốc gia TpHCM.
[3]. Nguyễn Đức Lượng, Cao Cường, Nguyễn Ánh Tuyết, Lê Thị Thủy Tiên, Tạ Thu Hằng, Huỳnh Ngọc Oanh, Nguyễn Thúy Hương, Phan Thị Huyền, Công nghệ enzyme, Nhà xuất bản đại học quốc gia TpHCM.
[4]. Bộ môn công nghệ sinh học, Thí nghiệm hóa sinh, Nhà xuất bản đại học quốc gia TpHCM.
[5]. Lương Đức Phẩm (2006), Nấm men công nghiệp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [6]. Đồng Thị Thanh Thu (2006), Giáo trình Hóa Sinh Hiện Đại, Nhà xuất bản Khoa Học Tự Nhiên.
[7]. Nguyễn Đình Thưởng, Nguyễn Thanh Hằng (2007), Công nghệ sản xuất và kiểm tra cồn etylic, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.
[8]. Lebaka Veeranjaneya Reddy &Lebaka Prasannanjaneya Reddy & Young-Jung Wee &Obulam Vijaya Sarathi Reddy (2009), Production and Characterization of Wine with Sugarcane Piece Immobilized Yeast Biocatalyst, Food bioprocess technol
[9]. Diego T. Santos , Boutros F. Sarrouh , Juan D. Rivaldi, Attilio Converti , Silvio S. Silva (2008), Use of sugarcane bagasse as biomaterial for cell immobilization for xylitol production, Journal food of engineering, 86, 542 - 548
[10]. J. N. de Vasconcelos, C. E. Lopes and F. P. de França (2004), Continuos ethanol production using yeast immobilized on sugar-cane stalks, Brazilian journal of chemical engineering, 21, 357-365.
[11]. Yong-Jae Lee (2003), Oxidation of sugarcane bagasse using a combination of hypochlorite and peroxide, B.Sc., Chonnam National University
[12]. http://www.agro.gov.vn/news/newsdetail.asp?targetID=5262 [13]. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Yeast_lifecycle.svg [14]. http://vietsciences.free.fr/khaocuu/nguyenlandung/visv13.htm
Chương 4: Kết luận [15]. http://www.biocourseware.com/iphone/cell/ [16]. http://www.sigmaaldrich.com/life-science/metabolomics/enzyme-explorer/learning- center/lysing-enzymes.html [17]. http://www.hort.purdue.edu/newcrop/duke_energy/Morus_alba.html 38