II. Mục ựắch và yêu cầu của ựề tài
2.4.2. Các phương pháp sản xuất ựường xylose
Có hai phương pháp chủ yếu ựể sản xuất ựường xylose là phương pháp hóa học và phương pháp lên men nhờ vi sinh vật [2,4].
2.4.2.1. Sản xuất xylose bằng phương pháp hoá học
Sản xuất xylose bằng phương pháp hoá học dựa trên quá trình hydro hóa dịch thủy phân hemicellulose (chứa thành phần chủ yếu là xylan) thành xylose. Trong quá trình hydro hoá có khoảng 60% lượng xylan ban ựầu chuyển thành xylose. Sau phản ứng dịch hydro hóa ựược kết tinh ựể thu hồi ựường xylose. Phương pháp này có ưu ựiểm là hiệu suất thuỷ phân cao, ắt yêu cầu về công nghệ nhưng có nhược ựiểm là gây hao mòn thiết bị, tạo sản phẩm có ựộ tinh khiết thấp và không an toàn cho người sử dụng nếu chưa xử lý hết lượng acid dùng ựể thuỷ phân, gây ô nhiễm môi trường bởi lượng acid thải ra.
Các nghiên cứu trước ựây ựưa ra quy trình sản xuất ựường xylose từ nguyên liệu lignocellulose có chứa hemicellulose, quy trình bao gồm các bước như sau:
- Thủy phân lignocellulose với nước ựể tạo ra phần hoà tan và phần không hoà tan. Phần hoà tan có chứa ựường xylose, phần không hoà tan có chứa lignin và cellulose.
- Tách phần không tan từ dịch thuỷ phân.
- Xử lý phần hoà tan có chứa ựường xylose ựể dịch chuyển các chất hữu cơ và các ion ra ngoài.
- Tập trung phần có chứa ựường xylose thành dạng sirô có chứa 20% - 40% nước.
- Trộn sirô với ethanol ựể tạo thành dạng ethanolic hòa tan và kết tinh ựường xylose từ dạng ethanolic hòa tan.
Trong sản xuất xylose từ nguyên liệu lignocellulose quy mô thương mại, vấn ựề quan trọng là phải giảm thiểu tối ựa lượng xylose bị mất ựi khi tách xylose ra khỏi sản phẩm sau thủy phân. Quy trình sản xuất ựường xylose từ nguyên liệu lignocellulose quy mô thương mại gồm các bước như sau:
Bước 1: Thủy phân nguyên liệu bằng dung dịch axit ựể tạo ra hai phần. Phần hoà tan chứa xylose và phần không hòa tan chứa lignin và cellulose. Dung dịch axit nên ựược sử dụng ở nồng ựộ 0,5 - 5%. Có thể sử dụng axit vô cơ (như axit H2SO4, HCl hoặc H3PO4) hoặc axit hữu cơ (như acetic hoặc trifluoracetic). Trong quá trình thủy phân hỗn hợp phản ứng ựược duy trì ở nhiệt ựộ từ 70 - 270oC. Thời gian thủy phân từ 2 phút ựến 2 giờ. Quá trình thủy phân ựược tiến hành trong sự kết hợp của cả 3 yếu tố: nhiệt ựộ, nồng ựộ axit và thời gian.
Bước 2: Tách phần không hòa tan.
Bước 3: Xử lý phần dung dịch xylose ựể loại bỏ những hợp chất hữu cơ (gồm protein, lipit và chất màu). Các hợp chất này ựược loại bỏ bằng phương pháp xử lý với thuốc thử (như than hoạt tắnh hoặc chất hấp phụ polymer). Những tạp chất ion chủ yếu là axit sử dụng ở bước 1 ựược loại bỏ bằng thiết bị ựiện phân, sau ựó ựược cho qua thiết bị có chứa nhựa trao ựổi ion.
Bước 4: Dung dịch xylose ựược cô ựặc thành dạng siro có hàm lượng nước dao ựộng từ 20 - 40 % về khối lượng. Cô ựặc xylose ở hàm lượng vừa ựủ ựể xylose có thể kết tinh khi nó ựược trộn với ethanol ở bước 5. điều kiện cô ựặc thắch hợp nhất là sử dụng quá trình bay hơi bằng thiết bị bay hơi có màng hay quay. Siro thu ựược sau bước 4 này ựem bảo quản và sử dụng cho bước 5.
Bước 5: Trộn siro với ethanol ựể tạo dung dịch hòa tan và kết tinh ựường xylose từ dạng ethanolic hòa tan. Tiến hành kết tinh ở ựiều kiện nhiệt ựộ thường. Bổ sung ethanol ở nồng ựộ không quá 2 lần ethanol so với lượng
dịch (nên chọn lượng ethanol bằng lượng dịch siro). Hỗn hợp ethanol và siro ựược giữ trong thời gian 10 - 18 giờ, thỉnh thoảng lắc ựể xylose kết tinh.
Phản ứng thủy phân ở bước 1 có thể ựược tiến hành ở dạng liên tục hoặc gián ựoạn. Sự có mặt của những oligosaccharide có thể ảnh hưởng ựến quá trình kết tinh của xylose. Chắnh vì vậy, dịch thuỷ phân cần phải loại bỏ hoặc khử bớt lượng oligosaccharide có trong dịch bằng cách gia nhiệt dịch xylose ựến nhiệt ựộ 50 - 150oC duy trì trong khoảng 2 phút ựến 2 giờ có bổ dung axit ở nồng ựộ 0,5 - 5%. Tinh thể xylose ựược sản xuất ra từ bước 5 ựược rửa sạch bằng dung dịch ethanol có nồng ựộ 90% ựể nâng cao ựộ tinh sạch và ựáp ứng tiêu chuẩn chế biến tốt hơn.
2.4.2.2. Sản xuất ựường xylose bằng phương pháp lên men nhờ vi sinh vật
* Sản xuất xylose bằng phương pháp lên men nhờ vi sinh
Với phương pháp sản xuất xylose bằng phương pháp lên men nhờ vi sinh vật xylose ựược sản xuất từ các nguyên liệu giàu xylan. Nguyên liệu trước hết ựược thủy phân ựể tạo thành dung dịch chứa xylan. Sau ựó các vi sinh vật sử dụng xylan làm nguồn cacbon ựể lên men dịch thủy phân [33]. đường xylose ựược thu hồi bằng phương pháp cô quay chân không và sấy phun. Sản xuất xylose theo phương pháp lên men xylan nhờ vi sinh vật có nhiều ưu ựiểm hơn so với phương pháp hóa học như tạo ra sản phẩm an toàn hơn, không gây ô nhiễm môi trường hay làm hao mòn thiết bị. Phương pháp này có nhược ựiểm là công nghệ yêu cầu cao hơn, hiệu suất thuỷ phân thấp hơn so với phương pháp hoá học. Việc thu nhận và tinh sạch ựường xylose gặp nhiều khó khăn do dịch lên men ngoài ựường xylose còn lẫn rất nhiều tạp chất như ựạm, muối vô cơ, acid amin. đường xylose lại dễ tạo phản ứng Maillard với axit amin tạo sản phẩm có màu sẫm.
Haltric và cs ựã chỉ ra một số vi sinh vật có thể sử dụng ựể lên men xylan bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc như Aspergillus, Trichoderma,
Bacillus, Cryptococcus, Penicillium, Aureobasidium, Fusa-rium,Chaetomium, Phanerochaete, Rhizomucor, Humicola, Talaromyces [33]. Các loại vi sinh vật này có khả năng sinh enzyme xylanase vào môi trường lên men có chứa nhiều xylan. Hiện nay ựã có khá nhiều nghiên cứu về các chủng vi sinh vật trên trong ựó các nghiên cứu tập chung chủ yếu vào sử dụng nấm mốc
Aspergillus niger ựể lên men xylan [33]. Pang Pei Kheng và cs ựã sử dụng phần mềm của thực vật ngọt làm chất nền ựể phân lập và tuyển chọn ựược chủng nấm mốc Aspergillus niger USA AI 1. Sau ựó sử dụng chủng nấm mốc này ựể lên men xylan. Theo Pang Pei Kheng, sử dụng Aspergillus niger ựể lên men không những nâng cao ựược năng suất, hiệu quả lên men mà còn tận dụng ựược các phế phụ phẩm của ngành nông nghiệp như lõi ngô, bã mắa, rơm rạ [35].
* Sản xuất xylose bằng phương pháp enzyme
Phương pháp sản xuất ựường xylose bằng enzyme tách riêng hai quá trình là tổng hợp và thu nhận enzyme qua lên men. Sau ựó dùng enzyme ựể thuỷ phân dịch xylan thành ựường xylose. Với phương pháp này ta có thể khắc phục ựược nhược ựiểm của phương pháp sản xuất ựường xylose nhờ vi sinh vật.
Xylanase là enzyme thủy phân xylan nó có thể ựược tách chiết, thu hồi từ vi khuẩn (Clostridium, Cellulomonas, Bacillus và ThermonosporaẦ) hoặc nấm (Trichoderma, Aspergillus, Schizophyllum và PenicilliumẦ). Tuy nhiên, do phát triển trong ựiều kiện yếm khắ nên enzyme xylanase do vi khuẩn sinh ra thường có hàm lượng và hoạt tắnh thấp hơn enzyme xylanase sinh ra bởi nấm mốc. Hiện nay người ta thường sử dụng enzyme xylanase sinh ra từ các chủng mấm mốc ựể sản xuất ựường xylose .
Năm 1986, Allenza và cs ựã nghiên cứu sản xuất xylose bằng enzyme xylanase sinh ra từ chủng Aureobasidium plll/ulam Y-2JIIở1 trên hai dạng
enzyme xylanase cố ựịnh và tự do ở nhiệt ựộ 40oC, pH =4,5 - 4,75 [32]. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng thủy phân xylan thành xylose ở cả hai dạng là gần như nhau (0,16% khối lượng ựối với xylanase ở dạng tự do và 0,21% khối lượng ựối với xylanase ở dạng cố ựịnh). Hoạt tắnh enzyme ở dạng tự do sau 16 giờ còn 54% trong khi hoạt tắnh của xylanase dạng cố ựịnh chỉ còn 47% sau 16 giờ.
Năm 2009, Goldman ựã nghiên cứu quá trình thủy phân xylan thành ựường xylose bằng enzyme xylanase [31]. Kết quả nghiên cứu cho thấy enzyme xylanase từ các chủng nấm mốc khác nhau ảnh hưởng khác nhau ựến khả năng thuỷ phân xylan. Enzyme xylanase sinh ra bởi chủng Aspergillus niger AN-1.15, sau 5 giờ có 70% saccharide chuyển thành xylan. Enzyme xylanase sinh ra bởi chủng Thermobifida fusca sau 30 phút ở 700C chuyển hóa ựược 10% xylan. Enzyme xylanase sinh ra bởi chủng Trichoderma sp. K930 chỉ có 1,4% saccharide chuyển thành xylan [31].