3.1. Lên men axit lactic từ xylose
3.1.3. Tối ưu điều kiện lên men axit lactic từ đường xylose của chủng L. fermentum Y6
Mục đích của quá trình này là tìm sự tương tác đồng thời của các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men axit lactic để lựa chọn điều kiện lên men tối ưu.
Dựa trên cơ sở đã khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình lên men axit lactic, tiến hành xác định ảnh hưởng đồng thời của 3 yếu tố: nhiệt độ, pH ban đầu, nồng độ đường.
Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở bảng 3.5 cho thấy sau 120 giờ lên men, hàm lượng axit thu được nằm trong khoảng 2,49 - 8,15 g/l.
Kết quả phân tích phương sai của mô hình tối ưu bằng phần mềm DX7.1.5 (State- Ease) trình bày trong bảng 3.6 cũng cho thấy cả 3 yếu tố pH ban đầu và nồng độ đường và nhiệt độ đều ảnh hưởng nhưng pH ban đầu và nồng độ đường ảnh hưởng mạnh đến quá trình sinh tổng hợp axit. Giá trị F của mô hình là 199,93 với p < 0,0001 (p<0,05) cho thấy dạng mô hình đã được lựa chọn đúng. Giá trị p của “Không tương thích” là 0,0629 (p>0,05) cho thấy mô hình này tương hợp với thực nghiệm.
66
Bảng 3.5. Ma trận thực nghiệm Box- Behnken với ba yếu tố và hàm lượng axit thu được trong các điều kiện nuôi cấy khác nhau
STT X1 X2 X3 X1(oC) X2 X3(g/l) Y(g/l)
1 -1 0 0 37 6,0 10 8,0
2 +1 0 0 30 6,0 5 3,11
3 -1 +1 0 37 4,5 15 5,32
4 +1 +1 0 44 6,0 5 3,58
5 -1 0 -1 37 6,0 10 8.10
6 +1 0 -1 44 4,5 10 4,15
7 -1 0 +1 37 6,0 10 7,9
8 +1 0 +1 30 6,0 15 7,5
9 0 -1 -1 30 4,5 10 4,2
10 0 +1 -1 44 6,0 15 5,41
11 0 -1 +1 37 7,5 15 6,58
12 0 +1 +1 37 6,0 10 8,15
13 0 0 0 37 7,5 5 3,53
14 0 0 0 30 7,5 10 6,63
15 0 0 0 44 7,5 10 5,23
16 0 0 0 37 4,5 5 2,49
17 0 0 0 37 6,0 10 8,15
Bảng 3.6. Kết quả phân tích phương sai mô hình tối ưu bằng phần mềm DX 7.1.5 Thông số Tổng phương sai Chuẩn F Mức có nghĩa p
Mô hình 68,77 199,93 <0,0001
X1 1,18 33,24 0,0007
X2 4,22 119,06 <0,0001
X3 18,30 516,41 <0,0001
X1X2 0,46 12,86 0,0089
X1X3 1,64 46,23 0,0003
X2X3 0,012 0,34 0,5773
X12 7,05 198,86 <0,0001
X22 12,37 348,94 <0,0001
X32
14,66 413,80 <0,0001
Không tương thích 0,2 5,7 0,0629
Phương trình hồi quy biểu hiện hàm lượng axit mô tả ảnh hưởng của các yếu tố độc lập và các mối tương tác giữa chúng được biểu diễn như sau:
67
Y = 8,06 - 0,38X1 + 0,73X2 + 1,51X3 - 0,34 X1X2 - 0,64 X1X3 + 0,055X1X3 - 1,29X12 - 1,71 X22 - 1,87 X32 (1)
Trong đó: X1 - Nhiệt độ, X2- pH ban đầu, X3 - Nồng độ đường
Từ phương trình (1) và tương tác giữa các biến như nhiệt độ- pH ban đầu; nhiệt độ - nồng độ đường và pH ban đầu - nồng độ đường (hình 3.15; 3.16; 3.17) đến khả năng sinh tổng hợp axit cho thấy tương tác giữa pH ban đầu và nồng độ đường ảnh hưởng mạnh hơn 2 tương tác: Nhiệt độ- pH ban đầu và nhiệt độ - nồng độ đường
Hình 3.15. Ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và p ban đầu
Hình 3.16. Ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và nồng độ đường
Hình 3.17. Ảnh hưởng đồng thời của pH ban đầu và nồng độ đường
Design-Expert® Software Ham luong axit
Design points above predicted value Design points below predicted value 8.15
2.49 X1 = A: Nhiet do X2 = B: pH ban dau Actual Factor C: Nong do duong = 10.00
30.00 33.50
37.00 40.50
44.00
4.50 5.25 6.00 6.75 7.50 4.1 5.125 6.15 7.175 8.2
Ham luong axit
A: Nhiet do B: pH ban dau
Design-Expert® Software Ham luong axit
Design points above predicted value Design points below predicted value 8.15
2.49 X1 = A: Nhiet do X2 = C: Nong do duong Actual Factor B: pH ban dau = 6.00
30.00 33.50
37.00 40.50
44.00
5.00 7.50 10.00 12.50 15.00
3.1 4.45 5.8 7.15 8.5
Ham luong axit
A: Nhiet do C: Nong do duong
Design-Expert® Software Ham luong axit
Design points above predicted value Design points below predicted value 8.15
2.49 X1 = B: pH ban dau X2 = C: Nong do duong Actual Factor A: Nhiet do = 37.00
4.50 5.25
6.00 6.75
7.50
5.00 7.50 10.00 12.50 15.00
2.2 3.775 5.35 6.925 8.5
Ham luong axit
B: pH ban dau C: Nong do duong
68
Sử dụng phương pháp hàm kỳ vọng để tối ưu hóa hàm lượng axit thu được sau quá trình lên men bằng phần mềm Design- Expert. Kết quả tìm được 43 phương án thí nghiệm trong đó phương án tốt nhất để cực đại hàm mục tiêu dự đoán là: Nhiệt độ 37,76oC; pH ban đầu = 6,2; nồng độ đường 11,53 g/l. Khi đó, lượng axit đạt được trong các điều kiện trên theo tính toán là 8,33 g/l (hình 3.18).
Hình 3.18. Hàm kỳ vọng và điều kiện tối ưu để lên men axit lactic từ xylose của chủng L. fermentum Y6
Dựa vào phương án được đưa ra, xét theo điều kiện thí nghiệm của phòng thí nghiệm, thực nghiệm được tiến hành dưới các điều kiện như sau: Nhiệt độ 38 oC, pH ban đầu 6,2 và nồng độ đường là 12 g/l. Sau 120 giờ lên men, hàm lượng axit đạt được là 8,51 g/l. Kết quả này có độ tương thích cao so với lí thuyết.
Như vậy, kết quả nghiên cứu đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men axit lactic của chủng L. fermentum Y6 là nhiệt độ 38oC; nồng độ đường 12 g/l; pH ban đầu 6,2; tỉ lệ cấp giống 10%. Hàm lượng axit đạt được 8,51 g/l sau 120 giờ lên men, lượng axit thu được sau tối ưu đa yếu tố tăng 16,7% so với khảo sát đơn yếu tố.
3.1.4. Ảnh hưởng của tốc độ lắc và duy trì pH an đầu trong điều kiện tối ưu.
Djukic´ -Vukovic A.P. và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của điều khiển pH và lắc trong quá trình lên men sản xuất axit lactic từ bã lỏng thải của quá trình sản xuất bioethanol và đưa ra nhận xét là tốc độ lắc không ảnh hưởng đáng kể đến quá trình sản xuất axit lactic nhưng nếu nó kết hợp với tác nhân duy trì pH (CaCO3) thì sẽ làm tăng đáng kể lượng axit lactic sinh ra. Trong quá trình lên men có lắc sẽ làm tăng hiệu quả của việc bổ sung CaCO3, làm tăng khả năng đồng nhất của CaCO3 vào môi trường lên men, làm tăng khả năng trung hòa axit sinh ra và duy trì pH trong dịch lên men để ngăn cản tác động bất lợi của nồng độ axit cao lên bề mặt tế bào vi khuẩn [34].
Nhiet do = 37.76
30.00 44.00
pH ban dau = 6.20
4.50 7.50
Nong do duong = 11.53
5.00 15.00
Ham luong axit = 8.33335
2.49 8.15
Desirability = 1.000