Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng lên men axit lactic

1.3. Lên men axit lactic từ rơm rạ

1.3.3. Quá trình lên men sản xuất axit lactic từ xylose, cellobiose và dịch thủy phân rơm rạ bằng vi khuẩn lactic

1.3.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng lên men axit lactic

Lên men axit lactic bởi vi sinh vật chịu ảnh hưởng bởi một số điều kiện bao gồm pH, tốc độ lắc, nhiệt độ, nguồn carbon, thành phần môi trường, kích thước và độ tuổi của giống, tỷ lệ thông khí, nồng độ đường ban đầu và chế độ lên men (liên tục, bán liên tục hoặc lên men gián đoạn) [16, 43].

a. Ảnh hưởng của nhiệt độ.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sản xuất axit lactic đã được nghiên cứu cho các chủng vi sinh vật khác nhau. Chẳng hạn, L. amylophilus được biết đến có khả năng tăng trưởng ở khoảng nhiệt độ 15°C - 45°C nhưng nhiệt độ tối ưu là 25°C và ở nhiệt độ 35°C cho năng suất và sản lượng tối đa [139]. Khoảng nhiệt độ phát triển của vi khuẩn lactic khá rộng, một số loài có thể phát triển được ở 55oC nhưng cũng có loài phát triển được ở 5oC.

Nhìn chung đa số vi khuẩn lactic có thể phát triển được trong khoảng nhiệt độ từ 15 –

30

40oC. Khi nhiệt độ tăng quá cao, vi sinh vật sẽ chết, do đó ảnh hưởng đến quá trình lên men axit lactic [78].

Một số chủng vi khuẩn có nhiệt độ lên men axit lactic trong khoảng từ 30oC đến 37oC như:

- Tyree R.W. và cộng sự lên men axit lactic ở nhiệt độ 30oC bởi loài L. xylosus, hiệu suất lên men lactic thu được 41 % [122].

- Al- Asady A.K.G. đã nghiên cứu sản xuất axit lactic từ dịch thủy phân cây lúa miến bởi loài L. plantarum và nhận thấy rằng ở nhiệt độ 30oC, hiệu suất lên men axit lactic thu được cao nhất đạt 37,2% [13].

- Thomas S. và cộng sự nghiên cứu lên men axit lactic tại nhiệt độ 33oC bởi loài L.

pentosus, hiệu suất lên men lactic đạt 56% [117].

- Panda S.H. và cộng sự đã nghiên cứu sản xuất axit lactic từ nguồn tinh bột của bột khoai lang bởi chủng L. plantarum MTCC 1407 ở điều kiện nhiệt độ 35oC và hiệu suất lên men axit lactic đạt 56,4% khi sử dụng môi trường MRS chứa 3% bột khoai lang [87].

- Coelho L. F. và cộng sự đã tối ưu các thành phần môi trường MRS với nguồn đường từ dịch thủy phân molasses bởi chủng L. plantarum LMISM6 ở điều kiện 35oC và thu được hiệu suất lên men axit lactic là 63,2% [29].

- Zhang Y. và cộng sự lựa chọn nhiệt độ 37oC khi sử dụng kết hợp L. brevis ATCC 367 và L. plantarum ATCC 21028 trong quá trình lên men axit lactic từ dịch thủy phân biomass (chứa 415 g/l glucose; 144 g/l xylose và 13 g/l cellobiose) [142]. Ngoài ra, Sheeladevi A. và cộng sự đã sản xuất axit lactic dưới điều kiện tối ưu hóa trong đó nhiệt độ lựa chọn cho L. plantarum cũng là 37oC [103] và nhiệt độ 37oC cũng là điều kiện tốt cho 2 chủng đột biến L. plantarum PCU / ΔldhL1 và PCU-CelA/ ΔldhL1 lên men sản xuất axit lactic từ cellooligosaccharide [85].

- Cui F. và cộng sự cũng lựa chọn nhiệt độ 37oC để tiến hành sản xuất axit lactic từ dịch thủy phân cây ngô bởi hỗn hợp L. rhamnosus và L. brevis [30]. Kim J.H. và cộng sự cũng tiến hành lên men sản xuất axit lactic từ dịch thủy phân rơm rạ bằng loài L. brevis ở nhiệt độ 37oC [59].

Ngoài ra, Fossi B.T. và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng L. fermentum 04BBA19 có khả năng đường hóa và lên men đồng thời, lượng axit lactic cao nhất đạt được 8,7 g/l ở 45oC từ 10 g/l tinh bột [36].

Như vậy, khoảng nhiệt độ thích hợp cho các chủng vi khuẩn lên men axit lactic là từ 30 - 45oC.

31 b. Ảnh hưởng của pH.

pH của dịch lên men sẽ giảm dần trong quá trình lên men do axit được sản xuất ra.

Nếu điều khiển pH không thay đổi từ đầu đến suốt quá trình lên men bằng chuẩn độ bazơ hoặc bằng phương pháp chiết xuất, hấp phụ hoặc điện phân sẽ dẫn đến nồng độ, hiệu suất và năng suất lên men axit cao hơn so với không kiểm soát pH [43]. pH tối ưu cho sản xuất axit lactic là khác nhau và nằm trong khoảng pH 5,0 - 7,0. Chi Lactobacillus có khả năng chịu được pH thấp hơn Lactococci, pH tối ưu cho Lactobacillus có thể dưới 5,7 [58].

Trong quá trình lên men axit lactic, pH thấp ức chế quá trình chuyển hóa trong tế bào vi khuẩn và sản xuất axit lactic. Đa số các LAB không thể phát triển dưới pH 4, mặc dù các pKa lactic là 3,78 [10]. Một số báo cáo đã cho thấy ảnh hưởng của các giá trị pH ban đầu khác nhau lên sản xuất axit lactic của L. delbrueckii trong lên men gián đoạn của chất thải trong sản xuất đồ hộp dứa. Tại pH ban đầu 6,5, tế bào bắt đầu sử dụng glucose với tốc độ sử dụng glucose nhanh hơn so với các giá trị pH ban đầu khác và nồng độ axit lactic lớn nhất thu được ở pH ban đầu 6,5. Khi pH ban đầu vượt quá 6,5 thì nồng độ axit lactic cũng không tăng [45]. Nguyên nhân có thể do giá trị pH ban đầu lớn hơn 6,5 ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chuyển hóa vi sinh vật [126]. Hơn nữa, một số nghiên cứu đã ghi nhận rằng tác nhân trung hòa có thể nâng cao năng suất và hiệu suất lên men axit lactic trong quá trình lên men gián đoạn [57, 94, 115]. Do đó, để giảm sự ức chế pH nên sử dụng một bazơ mạnh trung hòa lượng axit tạo thành trong quá trình lên men, chẳng hạn như sodium hydroxide, potassium hydroxide, hydroxit canxi, cacbonat canxi hoặc dung dịch amoni với mục đích giữ pH ở một giá trị không đổi, giảm tác dụng ức chế của pH thấp [5, 9, 12, 94, 115]. Kiểm soát pH trong quá trình lên men cải thiện đáng kể hiệu quả của quá trình lên men axit lactic bởi các chủng LAB khác nhau.

Marques S. và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc duy trì pH trong quá trình lên men axit lactic từ dịch thủy phân của bùn giấy tái chế ( glucose 56,2 g/l; xylose 12,9 g/l; cellobiose 6,8 g/l) bởi chủng L. rhamnosus ATCC 7469 và nhận thấy rằng khi không kiểm soát pH thì tốc độ sử dụng đường rất chậm, axit tạo thành ít do pH giảm và quá trình lên men dừng lại sau 48 giờ khi pH gần tới 3, hiệu suất lên men đạt 70%. Khi kiểm soát pH trong quá trình lên men, đường được sử dụng hết, hiệu suất lên men đạt 82% [68].

Abdel - Rahman M.A.và cộng sự cũng đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của việc điều khiển pH và không điều khiển trong quá trình lên men sản xuất axit lactic từ cellobiose của chủng E. mundtii QU 25 và đã đưa ra kết luận: Lên men trong điều kiện kiểm soát pH 7 thì lượng axit lactic thu được lớn nhất là 18,6 g/l và năng suất đạt 2,1 g/l/h,

32

kết quả này tương ứng với lượng axit tăng lên 376% và năng suất tăng 346% so với lên men không điều khiển pH [5].

De Lima B.J.C. và cộng sự lên men sản xuất axit lactic từ saccaroza trong điều kiện nhiệt độ 37 ± 1 oC; lắc 200 vòng/phút, tỉ lệ cấp giống 10%, xét ảnh hưởng của chế độ điều khiển pH 6,2 bằng NaOH 5M và không điều khiển pH nhận thấy rằng khi điều khiển hiệu suất tăng 150% so với không điều khiển [33]. Musatto S.I. và cộng sự sử dụng môi trường MRS cùng với dịch thủy phân lúa mạch cùng với điều khiển pH kết quả thu được 35,54g/l axit lactic còn trong trường hợp không điều khiển pH sẽ thu được 13,02 g/l, như vậy lượng axit lactic tăng 170% khi điều khiển pH [75].

Tatsinkou F. B. và cộng sự đã chỉ ra rằng chủng L. fermentum 04BBA19 tại giá trị pH 6,5 cho khả năng lên men axit lactic cao nhất từ nguồn cơ chất tinh bột [36] . Ngoài ra, 2 chủng L. plantarum ldhL1/pCU-PXylAB và L. plantarum ldhL1-xpk1::tkt/pCU-PXylAB cũng lựa chọn pH 6 cho quá trình lên men axit lactic từ xylose [84].

Al-Asady A.K.G. đã nghiên cứu sản xuất axit lactic từ dịch thủy phân cây lúa miến bởi L. plantarum và nhận thấy rằng ở pH 6 hiệu suất lên men axit lactic thu được cao nhất đạt 37,2% [13].

Panda S.H. và cộng sự đã nghiên cứu sản xuất axit lactic từ nguồn tinh bột của bột khoai lang bởi chủng L. plantarum MTCC 1407 ở điều kiện pH 6,5 và hiệu suất đạt 56,4%

khi sử dụng môi trường MRS chứa 3% bột khoai lang [87].

Coelho L. F. và cộng sự đã tối ưu các thành phần môi trường MRS với nguồn đường từ dịch thủy phân molasse bởi chủng L. plantarum LMISM6 ở điều kiện pH 6 và hiệu suất lên men axit lactic cao nhất đạt 63,2% [29].

Sản xuất axit lactic bởi vi khuẩn dưới điều kiện tối ưu của loài L. plantarum diễn ra ở pH 5,5 thì lượng axit lactic thu được cao nhất từ glucose [103]. Ngoài ra, Zhang Y. và cộng sự cũng sử dụng loài L. plantarum nhưng pH thích hợp là 6,5 [142].

c. Ảnh hưởng của nồng độ đường.

Tanaka K. và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng đường xylose trong quá trình lên men axit lactic bởi chủng Lc. lactis IO-1 (JCM7638) trong khoảng từ 4,3 g/l - 70,3 g/l [112].

Abdel-Rahman M.A. và cộng sự sử dụng chủng E. mundtii QU 25 trong lên men axit lactic từ đường xylose và lựa chọn hàm lượng đường xylose là 25 g/l [9].

Abdel-Rahman M.A. và cộng sự sử dụng chủng E. mundtii QU 25 nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp đường glucose và cellobiose với tỉ lệ 1:1 ở các mức 5g/l; 10g/l; 20g/l trong lên men axit lactic ở nhiệt độ 43 oC, tỉ lệ cấp giống 10% và duy trì pH7 [6].

33 d. Ảnh hưởng của tỉ lệ cấp giống.

Tỉ lệ cấp giống có ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật.

Trong một phạm vi nhất định, khi tăng tỉ lệ cấp giống, vi sinh vật cần ít thời gian hơn để vào giai đoạn phát triển. Bởi vì giai đoạn pha tiềm phát rút ngắn nên tổng thời gian lên men cũng được rút ngắn lại, dẫn đến hiệu suất lên men axit lactic tăng [128]. Khi tỷ lệ này quá lớn sẽ gây lãng phí canh trường giống, hiệu suất sử dụng cơ chất không cao. Tỉ lệ cấp giống thường trong khoảng 3 - 10% (v/v) [109].

Abdel-Rahman M.A. và cộng sự lựa chọn tỉ lệ cấp giống 10% khi sản xuất axit lactic từ xylose bởi chủng E. mundtii QU 25 [9]. Tỷ lệ cấp giống 10% được Sheeladevi A.

và cộng sự sử dụng trong lên men axit lactic từ glucose bởi loài L. plantarum [103].

Abdel-Rahman M.A. và cộng sự sử dụng chủng E. mundtii QU 25 chọn tỉ lệ cấp giống 10% trong lên men axit lactic từ đường cellobiose [6].

Zhang Y. và cộng sự lựa chọn khi sử dụng kết hợp chủng L. brevis ATCC 367 và L.

plantarum ATCC 21028 trong quá trình lên men axit lactic từ dịch thủy phân hoa bạch dương. Trong đó, L. brevis chuyển hóa xylose và 1 phần nhỏ glucose còn L. plantarum chuyển hóa phần lớn glucose, lượng hỗn hợp giống cấp là 5% về thể tích và tỉ lệ mỗi chủng là 1:1 [142]. Cui F. và cộng sự tiến hành sản xuất axit lactic từ dịch thủy phân cây ngô (sau khi đã thu hạt ngô) bởi hỗn hợp L. rhamnosus và L. brevis lựa chọn tỉ lệ cấp giống với lượng giống cấp 5% về thể tích và tỉ lệ mỗi giống 1:1 [30].

e. Ảnh hưởng của tốc độ lắc.

Các chủng vi khuẩn lactic khác nhau có yêu cầu khác nhau đối với các điều kiện tăng trưởng. Đối với chủng L. rhamnosus, nồng độ axit lactic tối đa có thể đạt được khi lên men được thực hiện ở pH 6, nhiệt độ 40°C và tốc độ lắc 150 rpm [43]. Timbuntam W. và cộng sự tìm ra điều kiện tối ưu cho lên men axit lactic của chủng L. rhamnosus là pH 5,0- 6,8; nhiệt độ 30-45°C với tốc độ lắc tại 100 - 200 vòng/phút [118].

Okano K. và cộng sự đã đột biến chủng L. plantarum để lên men axit lactic từ xylose ở chế độ lắc 100 vòng/phút [84]. Abdel-Rahman M.A. và cộng sự lên men axit lactic từ xylose của chủng E. mundtii QU25 ở chế độ lắc 200 vòng/phút [5].

Zhang Y. và cộng sự lựa chọn khi sử dụng kết hợp chủng L. brevis ATCC 367 và L.

plantarum ATCC 21028 trong quá trình lên men axit lactic từ dịch thủy phân cây bạch dương duy trì chế độ lắc ở 100 vòng/phút [142]. Cui F. và cộng sự tiến hành sản xuất axit lactic từ dịch thủy phân cây ngô bởi hỗn hợp L. rhamnosus và L. brevis cũng chọn chế độ lắc 100 vòng/phút [30].

34 f. Ảnh hưởng của hàm lượng cao nấm men.

Zhang Y. và cộng sự khi sử dụng hỗn hợp 2 chủng L. brevis ATCC 367 và L.

plantarum ATCC 21028 lên men axit lactic từ dịch thủy phân hoa bạch dương đã lựa chọn nồng độ cao nấm men 5 g/l [142]. Cui F. cùng cộng sự đã lên men axit lactic từ dịch thủy phân cây ngô bởi hỗn hợp loài L. rhamnosus và L. brevis sử dụng môi trường MRS không đường trong đó nồng độ cao nấm men là 5g/l [30].