3.1. Lên men axit lactic từ xylose
3.1.4. Ảnh hưởng của tốc độ lắc và duy trì pH ban đầu trong điều kiện tối ưu
3.1.4.2. Ảnh hưởng của duy trì pH đến quá trình lên men axit lactic từ đường xylose của chủng L. fermentum Y6
Trong quá trình lên men axit lactic, pH có thể gây giảm năng suất tạo axit lactic do sự hình thành của chất ức chế hoạt động của vi khuẩn. Tác động ức chế của pH lên sự tăng trưởng tế bào của vi khuẩn là rất lớn. Do đó trong quá trình lên men axit lactic phải được trung hòa bằng kiềm như ammonium hydroxide, sodium hydroxide và canxi cacbonat [5, 9, 11, 94, 115]. Sodium hydroxide là kiềm thích hợp nhất cho tác nhân kiểm soát pH trong quá trình lên men.
Tiến hành lên men ở 2 thí nghiệm. Thí nghiệm 1: Nhiệt độ 38oC; nồng độ đường 12 g/l; tỉ lệ cấp giống 10%, lắc 50 vòng/phút, pH6,2 được duy trì bằng NaOH 2N. Thí nghiệm 2: Nhiệt độ 38oC; nồng độ đường 12 g/l; tỉ lệ cấp giống 10%, lắc 50 vòng/phút, pH ban đầu bằng 6,2.
Mức độ sử dụng đường xylose trong suốt quá trình lên men bởi chủng L.
fermentum Y6 trong điều kiện duy trì pH cao hơn so với không duy trì. Khi duy trì pH thì chỉ sau 48 giờ đường đã sử dụng hết nhưng cũng thời điểm đó trong điều kiện không duy trì thì đường còn dư 4,3 g/l.
Hình 3.20. Ảnh hưởng của việc duy trì pH và không duy trì đến mức độ sử dụng đường trong lên men axit
lactic từ xylose của chủng L. fermentum Y6
Hình 3.21. Ảnh hưởng của duy trì và không duy trì p đến sự hình thành axit và sử dụng đường khi kết thúc quá trình
lên men
Hàm lượng axit lactic thu được cao hay thấp phụ thuộc vào pH của quá trình lên men có được duy trì hay không. Kết quả cho thấy trong điều kiện duy trì pH lượng axit tạo thành 9,9 g/l và quá trình lên men kết thúc sau 48 giờ, trong khi không duy trig pH lượng axit thu được 5,0 g/l và lượng đường dư 4,3 g/l. Quá trình lên men trong điều kiện không duy trì pH kéo dài 120 giờ và tại thời điểm này pH bằng 2,8 nên ức chế hoạt động của vi khuẩn do đó kết thúc quá trình lên men (hình 3.20, hình 3.21).
0 2 4 6 8 10 12 14
0 6 12 24 36 48 72 96 120
Đường(g/l)
Thời gian(giờ)
Điều khiển pH Không điều khiển pH
9.9
5
0
4.3
0 2 4 6 8 10 12
Điều chỉnh pH Không điều chỉnh pH
Đường, axit tạo thành (g/l) Axit
Đường
71
Như vậy, kết quả này cho thấy rằng duy trì yếu tố pH là rất quan trọng, nó ảnh hưởng tới quá trình lên men làm cho hiệu suất lên men và mức độ sử dụng đường tăng, đồng thời rút ngắn thời gian lên men. Điều này cũng cũng phù hợp với công bố của một số nhà nghiên cứu, đã xác nhận rằng tác nhân trung hòa có thể nâng cao hiệu suất và năng suất axit lactic trong quá trình lên men gián đoạn [57, 94, 115]. Abdel -Rahman M.A.và cộng sự cũng khẳng định ảnh hưởng của duy trì pH trong quá trình lên men axit lactic từ xylose của chủng E. mundtii QU 25 là rất lớn. Lên men trong bình 1 lít chứa 400 ml môi trường MRS bổ sung 25 g/l xylose (166mM), lên men gián đoạn ở 30oC, cấp giống 10%;
lắc 200 vòng/phút. Trong trường hợp không duy trì pH 7 thì tỉ lệ tích lũy sinh khối và tiêu thụ xylose rất thấp, nồng độ lactate thu được sau 24 giờ là 35 mM, nồng độ xylose còn dư là 131mM. Việc chuyển đổi không hiệu quả xylose thành lactate có thể là do pH thấp (sau 24 giờ lên men pH giảm về pH 5) ảnh hưởng xấu đến trao đổi chất của tế bào. Lên men kiểm soát pH được thực hiện ở 30°C làm giảm tác dụng ức chế của lactate tự do lên các tế bào. Tại pH 7,0 lượng lactate đạt cao nhất 131 mM và năng suất tối đa lactate (12,1 mM/h) tương ứng tăng 274% và 365% so với không duy trì pH [9].
Phân tích dịch lên men trong điều kiện duy trì pH 6,2 sau 48 giờ bằng phương pháp sắc kí lỏng cao áp HPLC thu được kết quả thể hiện ở hình 3.22.
Hình 3.22. Sắc kí đồ HPLC của dịch lên men axit lactic từ xylose của chủng L. fermentum Y6 Phân tích phổ HPLC (hình 3.22 ) dịch canh trường lên men axit lactic ở điều kiện tối ưu duy trì pH 6,2 bằng NaOH 2N trong 48 giờ cho thấy, ngoài hình ảnh của peak axit
72
lactic còn có hình ảnh peak của axit axetic. Lượng axit lactic tạo thành 7,36 g/l; axit axetic 2,24 g/l. Như vậy, hiệu suất lên men axit lactic đạt 61,3%. Kết quả trên đã cho thấy, năng lực lên men tích tụ axit lactic từ đường xylose của chủng Y6 (hiệu suất lên men axit lactic là 61,3%) cao hơn so với loài L. xylosus (hiệu suất lên men axit lactic 41%) [122], loài L.
pentosus (hiệu suất lên men đạt 56%) [117] và chủng Lc. lactic IO -1 (hiệu suất lên men axit lactic 46,9%) [49] và L. brevis [26], Leu. lactis [82].
E. mundtii QU 25, một chủng vi khuẩn axit lactic mới được phân lập, có hiệu quả chuyển hóa xylose thành L-lactate. Trong điều kiện kiếm soát pH 7 bằng NaOH 1M, nhiệt độ 37oC, cấp giống 10%, lắc 200 vòng/ phút, hiệu suất lên men axit lactic là 83% [9].
Ngoài ra, một số tác giả như: Okano K. và cộng sự đã công bố chủng L. plantarum NCIMB 8826 có khả năng sản xuất axit lactic từ xylose ở các điều kiện: Nhiệt độ 36oC; pH duy trì bằng 6 (± 0,3), tốc độ lắc 100 vòng/phút và sau 60 giờ lên men đã thu được axit lactic là 41,2 g/l từ 50 g/l xylose, hiệu suất lên men đạt 82,4 % [84]; Shinkawa S. và cộng sự đã sử dụng chủng L. lactis IL 1403 để lên men từ xylose thu được axit lactic là 50 g/l ở điều kiện nhiệt độ 30oC, pH duy trì bằng 6 (± 0,3), tốc độ lắc 100 vòng/phút [105]… Tuy nhiên những chủng này đều là những chủng tái tổ hợp hoặc đột biến.
Từ các dữ liệu tham chiếu so sánh trên cho thấy lợi thế về năng lực lên men axit lactic từ xylose của chủng L. fermentum Y6 cao hơn so với các chủng của chi Lactobacillus, đạt hiệu suất lên men axit lactic 61,3%. Đồng thời, chủng L. fermentum Y6 được phân lập từ sản phẩm lên men truyền thống, nên có lợi thế về năng lực và độ ổn định về hoạt tính trong bảo quản giống. Bên cạnh đó, chủng này có khả năng phát triển và lên men trên môi trường YE - là môi trường muối khoáng đơn giản và chỉ chứa 3% cao nấm men như là nguồn bổ sung nitơ hữu cơ, điều này chính là ưu điểm của chủng so với các chủng Lactobacillus khác và Enterococcus và cũng là ưu điểm khi sử dụng chủng L.
fermentum Y6 trong lên men axit lactic từ dịch thủy phân lignocellulose.
Tóm lại
+ Từ các mẫu thực phẩm truyền thống đã phân lập được 26 chủng vi khuẩn có khả năng lên men sản xuất axit lactic từ đường xylose, bằng 3 phương pháp tuyển chọn đã chọn được chủng Y6 lên men axit lactic cao nhất, hiệu suất lên men đạt 56%. Bằng phương pháp nghiên cứu đặc tính sinh lí, sinh hóa và sinh học phân từ đã định tên được chủng Y6 là Lactobacillus fermentum Y6.
+ Bằng phương pháp khảo sát đơn yếu tố và qui hoạch thực nghiệm bậc 2 Box - Bernken đã xác định được điều kiện tối ưu cho chủng L. fermentum Y6 lên men axit lactic:
Nhiệt độ 38oC; pH duy trì 6,2; nồng độ đường 12 g/l; tỉ lệ cấp giống 10%, tốc độ lắc 50
73
vòng/phút sau thời gian 48 giờ thu nhận được 7,36 g/l axit lactic. Hiệu suất lên men axit lactic đạt 61,3%.