1.4.1.1. Khái quát chung
Trong công nghiệp sản xuất thực phẩm, sản phẩm được tạo thành từ các quá trình lên men ngày càng đa dạng và có vai trò quan trọng trong đời sống xã hộị Lên men là một trong những kỹ thuật lâu đời của ngành chế biến thực phẩm.
Lên men là các quá trình oxy hóa khử cơ chất mà kết quả là một phần cơ chất bị khử còn một phần khác lại bị oxy hóạ Oxy phân tử không tham gia vào quá trình oxy hóa này mà ở đây sở dĩ có sự oxy hóa chỉ là do việc tách hidro ra khỏi cơ chất. Hidro tách ra có thể được thải ra dưới dạng khí hoặc có thể lại được liên kết ngay với các sản phẩm phân giải của chính chất hữu cơ đó. Năng lượng sinh ra trong quá trình lên men sẽ được chi phí một phần cho các phản ứng khử, ngoài ra còn được tích lũy lại một phần trong các liên kết cao năng.[7]
Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử, quá trình này xảy ra trong cơ thể vi sinh vật dưới tác dụng của hệ thống enzymẹ Cho nên quá trình lên men còn được gọi là quá trình oxy hóa- khử sinh học. [11]
Các quá trình lên men đều bắt đầu từ hydrocacbon để tạo ra acid pyruvic qua con đường EMP và các con đường đường phân khác. Từ acid pyruvic để tạo năng lượng cung cấp cho hoạt động sống thì thực hiện 6 con đường lên men:
1. Lên men lactic 2. Lên men ethanol 3. Lên men acid hỗn hợp
4. Lên men butanediol 5. Lên men butyrate 6. Lên men propyonic[8]
Lên men rượu là một quá trình sinh hóa phức tạp, cần có sự tham gia của nấm men, hoặc một số vi khuẩn khác. Trong quá trình lên men rượu, đường được biến đổi thành ethanol và CO2. Quá trình lên men rượu kèm theo sự hình thành các sản phẩm, đồng thời giải phóng năng lượng. So với sự phân giải kỵ khí các acid hữu cơ khác thì lên men rượu trải qua quá trình phức tạp hơn nhờ sự xúc tác của hàng loạt các hệ enzyme khác nhaụ Trong phản ứng lên men, đường được chia cắt thành các hợp chất có mạch cacbon đơn giản hơn. [9]
1.4.1.2. Vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men ethanol
Trong sản xuất rượu người ta thường dùng những nhóm vi sinh vật sau: - Nấm men, để lên men địch đường thành rượụ
- Nấm mốc, để thủy phân dịch hồ tinh bột thành đường.
- Vi khuẩn lactic, dùng để acid hóa dịch đường trước khi lên men.
Trường hợp dùng vi khuẩn lactic không phải là phổ biến, nhưng thực tế sản xuất đã cho thấy dùng nhóm vi khuẩn này đảm bảo quá trình lên men thuận lợi hơn, nâng cao được dinh dưỡng cho nấm men (vi khuẩn lactic tích tục ác hợp chất nitơ dễ được nấm men đồng hóa) và tăng được hiệu quả tạo ethanol.
Trong sản xuất ethanol, người ta thường dùng những nòi nấm men thuộc giống Saccharomyces cerevisiae. Giữa các nòi này có các đặc điểm khác nhaụ Các nòi lên men ethanol cần phải có những đặc điểm sau:
- Có sức phát triển mạnh trong dịch đường lên men.
- Có thể lên men ở nhiệt độ tương đối cao của mùa hè.
- Có khả năng chịu được độ cồn cao trong qua trình lên men. - Chịu được môi trường có độ acid caọ
Nhiệt độ tối thích đối với sinh trưởng cho nấm men trong khoảng 25 – 300C, còn nhiệt độ tối thiểu khoảng 2-30C. Ở nhiệt độ 400C, sinh trưởng ngừng lại và men bị chết. Trong môi trường có nồng độ đường cao nấm men ngừng các quá trình sống. Đối với các nòi nấm men khác nhau thì nồng độ đường thích hợp cũng khác nhaụ Các giống men rượu đều thuộc giống nấm men nổi có khả năng lên men mạnh, có thể lên men được mono và disaccarit, cũng như một phần dextrin (chủ yếu là dextrin cuối).[6]
Các loài nấm Saccharomyces. Chúng có tế bào hình ovan, kích thước khoảng 3-10×5-12µm. Các loài này sinh sản vô tính theo cách thức nảy chồi hình thành bào tử trong điều kiện nhất định. Chúng sống kỵ khí không bắt buộc. Là loài có khả năng phân giải kỵ khí các loại đường khác nhaụ Một số nấm men thuộc loài
Saccharomyces thường dùng trong lên men rượu: S.cerevisiae, S.ellipsoides,
S.carlsbergensis.[9]Các nòi men này được chia làm hai loại: men nổi và men chìm. - Men nổi là chủng nấm men khi lên men hay phát triển trong dịch nuôi cấy, chúng tạo thành từng đám với từng bọt tương đối dầy và duy trì trong suốt thời gian lên men. Sau khi kết thúc chúng (những tế bào nấm men) mới lắng dần xuống đáy và tạo thành một lớp xác men không chặt chẽ.
- Men chìm là chủng nấm men khi lên men hay phát triển trong dịch nuôi cấy, lên men không tạo thành lớp bọt dầy trên bề mặt dịch và các tế bào lắng dần xuống đáy thùng tạo thành lớp cặn men khá chặt chẽ. Đặc biệt của men chím là lắng nhanh tạo cho dịch có độ trong sáng và các nòi men có enzyme α- galactozidaza nên có thể dùng hoàn toàn đường rafinoza cho lên men, còn các nòi men nổi chỉ có một số là đồng hóa được 1/3 rafinaza thành rượu và CO2.
Đa số các nòi nấm men bia và rượu vang đều thuộc men chìm, còn các nòi men rượu, men bánh mì và một ít nòi men bia thuộc men nổị
Yêu cầu chung đối với men rượu dùng trong sản xuất là phải có lực lên men mạnh, biến đường thành rượu nhanh và càng triệt để càng tốt, có khả năng chịu được các chất kháng khuẩn và biến động các điều kiện nuôi cấy (t0, pH, O2...).[6]
Ngoài ra còn có một số nấm mốc như: Mucor, Penicillium, Aspergillus… và một số vi khuẩn lên men ethylic như Zymomonas mobilis (đây là loại vi khuẩn hình que, kích thước 1.4-2×4-5µm, thường xếp thành đôi, đôi khi thành chuỗi).[7][9]
1.4.1.3. Cơ chế chuyển hóa của quá trình lên men ethylic
Phương trình tổng quát của quá trình lên men rượu có thể viết là: C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + 113.4 KJ
Thực ra phản ứng của quá trình lên men rượu rất phức tạp, nó trải qua hơn 10 phương trình phản ứng khác nhaụ Được chia làm 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Đường phân chuyển glucose Acid pyruvic. Giai đoạn 2: Acid pyruvic Axetaldehyt.
Giai đoạn 3: Axetaldehyt rượu ethylic.[9]
1.4.2. Các phương pháp sản xuất ethanol sinh học (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ethanol có thể sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau:
Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp:
Tổng hợp ethanol có nghĩa là sản xuất ethanol bằng phương pháp hoá học, trên thế giới người ta sản xuất ethanol bằng nhiều phương pháp khác nhaụ Trong công nghệ tổng hợp hoá dầu ethanol được sản xuất bằng dây chuyền công nghệ hydrat hoá đối với khí etylen hoặc công nghệ cacbonyl hoá với methanol.
Hydrat hoá: CH2=CH2 + H2O C2H5OH
Cacbonyl: CH3OH + CO + 2 H2 C2H5OH + H2O
Công nghệ sản xuất ethanol sinh học:
Công nghệ này dựa trên quá trình lên men các nguồn cacbonhydrat có trong tự nhiên như: nước quả ép, nước thải men bia, ngô, sắn, mùn, gỗ...
(C6H10O5)n + n H2O nC6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Q Ở nước ta, công nghệ sản xuất ethanol còn rất nhỏ bé và lạc hậụ Chỉ có ngành sản xuất ethanol sinh học mà nguồn nguyên liệu chủ yếu từ tinh bột (sắn,
ngô, khoai…) và từ rỉ đường. Hoàn toàn chưa có nhà máy sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa, cây cỏ…). Sản phẩm chủ yếu là ethanol thực phẩm (nồng độ 40% đến 45%) và cồn công nghiệp (nồng độ từ 95.57% đến 96%), một lượng nhỏ được làm khan thành sản phẩm ethanol tuyệt đối (nồng độ 99.5%).
Để sản xuất ethanol ta có thể đi từ nhiều phương pháp khác nhaụ Tuy nhiên, xuất phát từ điều kiện Việt Nam là một nước nông nghiệp có sản phẩm nông nghiệp rất phong phú nên đề tài này chỉ đề cập đến việc sản suất ethanol từ nguồn nguyên liệu chính:
Sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột (sắn, ngô).
Sản xuất ethanol từ nguyên liệu là rỉ đường.
Sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa…).
1.4.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về thủy phân cacbonhydrat và sản xuất ethanol sinh học từ rong biển xuất ethanol sinh học từ rong biển
1.4.3.1. Các nghiên cứu ngoài nước
Trên thế giới, công nghệ sản xuất ethanol sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Tuy nhiên, nguyên liệu phục vụ cho công nghệ sản xuất ethanol sinh học chủ yếu từ các cây lương thực, rơm rạ[2][18][24], còn từ nguồn rong biển chưa được nghiên cứu và ứng dụng nhiềụ Đối với Việt Nam vấn đề này vẫn còn rất mới mẻ và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.
Những nguyên liệu có thể dùng để sản xuất ethanol là đường, tinh bột và nguyên liệu chứa cellulose ( Bailey and Ollis, 1986). Đường có thể biến đổi trực tiếp thành ethanol nhưng tinh bột phải được thủy phân thành đường dưới tác dụng của enzyme rồi mới lên men thành ethanol, còn cellulose cũng phải biến đổi thành đường trước khi lên men bằng acid vô cơ (Bashir and Lee, 1994). Sở dĩ có thể dùng rong biển để sản xuất ethanol vì nhiều loài rong biển có chứa hàm lượng cacbohydrat cao, có thể dùng để chuyển hóa lên men rượụ Đã có nhiều tài liệu nước ngoài công bố về vấn đề này như rong nâu Laminaria ở vùng biển Ireland
được đất nước này khai thác để sản xuất ethanol sinh học có chứa 6% cellulose, 23% alginates, 12% mannitol, fucoidan 5%, laminaran 14%, proteins 2%, lipid 2%, không thấy hàm lượng tinh bột, hemicellulose và lignin. Khác với rong nâu, rong lục có hàm lượng ẩm cao hơn rất nhiều, chiếm đến 85%, hàm khoáng 24%, protein 19%, lipid 2%, cellulose 18%, ulvan 20%, tinh bột 2%, hợp chất sunfat 8% và chất màu nhỏ hơn 1%.[15][20]
Alginate là một polysaccharide trong rong nâu không thể lên men nhờ những vi sinh vật truyền thống, mà muốn lên men được phải qua xử lý ở nhiệt độ cao trước khi lên men hoặc dùng những vi sinh vật lên men thích ứng. Ở NaUy, Horn và cộng sự năm 2004 đã tìm ra chủng nấm men P.angophorae để lên men rong nâu nhưng hiệu suất lên men không cao, còn các nhà nghiên cứu của trường đại học quốc gia Ireland (NUIG) đã tách được một enzyme từ nấm kỵ khí Talaromyces emersonii được xem là cắt đứt rất tốt các hợp chất đường phức tạp để tạo ra đường đơn giản.[20]
Năm 2007, nhóm tác giả Aizawa, M; Asaoka, K; Atsumi, M; Sakou, T của trường Đại học Tokai Nhật Bản đã công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất ethanol sinh học của Nhật Bản do Tokyo Fisheries Promotion Foundation đầu tư trên tạp chí Oceans 2007. Dự án sản xuất ethanol từ rong biển Sargassum horneri là một loại rong nâu, có hàm lượng cacbohydrate 5.8%, kết quả thu được 29.6 kg ethanol hoặc 38.0 lít ethanol trên 1 tấn rong tươi có độ ẩm 90%.[14]
Năm 2009, nhóm tác giả DuBok Choi, Heung Sun Sim, Yu Lan Piao, Wu Ying và Hoon Cho của hai trường Đại học Cho-dang và Chusun Hàn Quốc đã công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất đường từ nguyên liệu rong biển thô trên tờ báo Industrial and Engineering Chemistrỵ Kết quả công bố, rong biển thô được cắt nhỏ 5cm, sau đó bổ sung HCl, acid Ascorbic và NaOH từ 0.25 ÷ 2%, hỗn hợp được gia nhiệt ở 1210C; 0.98 bar, trong thời gian 1-3h, tác giả so sánh hiệu quả thủy phân giữa các mẫu bằng cách so sánh độ nhớt giữa các hỗn hợp sau khi kết thúc thủy phân, trường hợp rong biển thủy phân trong acid Ascorbic cho thấy độ nhớt giảm một cách nhanh chóng, tiếp đến là mẫu xử lý HCl và cuối cùng là mẫu xử lý NaOH.
Nhóm tác giả trên cũng công bố cho biết khi rong biển thủy phân bằng hỗn hợp enzyme Liquozyme, Dextrozyme, Viscozyme và Rapidase trong điều kiện nhiệt độ 300C, thời gian 360 phút thì hàm lượng đường sinh ra nhiều hơn so với dùng acid Ascorbic.[19]
Năm 2010 nhóm tác giả Churl Kim, Hyun Jin Ryu, Sang Hyoun Kim, Jeong – Jun Yoon, Hoon Sik Kim và Yong Jin Kim của trường đại học Kyung Hee đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Bull. Korean Chem.Soc về sử dụng chất lỏng ion để chuyển hóa agar thành hỗn hợp đường. Phản ứng đường hóa agar được tiến hành như sau: Một hỗn hợp 10g agar được trích ly từ Gelidium amansii cho vào hỗn hợp nước chứa chất lỏng ion có tính chất acid ([Chol][HSO4]). Phản ứng thủy phân được thực hiện ở 1210C trong 15 phút, sau đó điều chỉnh hỗn hợp pH về 5.5 bằng cách bổ sung CaCO3 và chất lỏng ion được tách ra bằng cách ly tâm.[17]
Năm 2011, nhóm tác giả Kazunori Nakashima và cộng sự của trường Đại học Kobe Nhật Bản đã công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất bioethanol từ cellulose bằng cách kết hợp giữa nấm men có chứa enzyme cellulase với tiền xử lý chất lỏng ion (ionic liquid) trên trang Green Chemistrỵ Kết quả công bố, khi cellulose được tiền xử lý với các chất lỏng ion như [Emim][Cl]; [Emim][OAc]; [Emim][DEP] ở điều kiện 800C, thời gian 30 phút; sau đó hỗn hợp được trung hòa bằng dung dịch đệm acetat, điều chỉnh pH về 5.0, hỗn hợp tiếp tục bổ sung 5ml hỗn hợp nấm men endoglucanase (EG), cellobiohydrolase (CBH), và β-glucosidase (BGL), đồng thời bổ sung nấm men 5ml S.cerevisiae tiến hành lên men ở nhiệt độ 300C, thời gian 96h thì hiệu suất thu ethanol lên đến 90% và có thể tái sử dụng các chất lỏng ion đến 82%.[21]
Hình 1.4. Lên men ethanol trực tiếp bằng nấm men từ cellulose được tiền xử lý chất lỏng ion.
NaUy đã nghiên cứu sản xuất ethanol từ hai loài rong nâu là Laminaria hyperborea và Ascophyllum nodosum thành công, họ đã chiết laminaran và mannitol từ rong nâu Laminaria hyperborea để sản xuất ethanol (Horn, et al., 2000)[28][30]. Hàm lượng mannitol và laminaran trong rong nâu khô khoảng 25 ÷ 30% (Jensen and Haug, 1956). Quá trình lên men ethanol từ mannitol nhờ vi khuẩn
Zymobacter palmae, còn vi khuẩn Pichia angophorae có thể tham gia sản xuất ethanol cả hai nguồn mannitol và laminaran. Những vi sinh vật phổ biến được sử dụng để lên men ethanol là Saccharomyces cerevisiae và vi khuẩn Zymomonas mobilis (Dumsday et al, 1997).[20]
Năm 2011 nhóm tác giả Krish Purnawan Candra, Sarwono, Sarinah của trường Đại học Mulawarman Indonesia đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Journal of Coastal Development về sản xuất ethanol sinh học từ rong đỏ Eucheuma cottonii trên vùng biển Baotang của Indonesia theo quy trình sau: Rong sau khi thu hoạch được phơi khô và bảo quản trong các túi nilon, đưa về phòng thí nghiệm được bảo quản ở nhiệt độ phòng, 100 g rong khô cho vào 300 ml nước, sau đó đun
sôi ở nhiệt độ 800C trong 2 giờ cho đến khi gel được hình thành, sau đó làm nguội xuống nhiệt độ phòng. 25 ml H2SO4 5% rót vào một lọ thủy tinh chứa 100g gel rong biển đem đun sôi ở 1000C trong 2 giờ, sau đó dung dịch được điều chỉnh về pH = 5 bằng cách nhỏ 0.1M NaOH, hàm lượng đường xác định là 15.8mg/ml dịch thủy phân bằng phương pháp Nelson Somogyị Hỗn hợp được lên men từ 5-6 ngày ở nhiệt độ phòng từ 28-300C bằng nấm men Saccharomyces cereviceae thì thu được sản lượng cồn tối đa là 4.6%.[22]
Năm 2011 nhóm tác giả Leilei Ge, Peng Wang, Haijin Mou của trường College of Food Science and Engineering và Ocean University của Trung Quốc đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Renewable Energy về nghiên cứu công nghệ đường hóa bã rong để chuyển hóa ethanol. Nguyên liệu dùng nghiên cứu là phần bã thừa của quá trình sản xuất alginate được xay nhỏ và sấy khô ở 400C, sau đó bảo quản ở nhiệt độ phòng. Bã rong được tiền xử lý bằng acid sulfuric loãng lần lượt là 0.1; 0.2; 0.5 và 1% trong thời gian 0.5; 1.0 và 1.5 giờ tại nhiệt độ 1210C. Sau đó, phần bã không tan được lọc tách ra và rửa với nước nóng. Hỗn hợp được điều chỉnh về pH = 4.8 bằng dung dịch đệm acetat, tiếp tục bổ sung enzyme cellulase và cellobiase để thủy phân cellulose, hemicellulose và lignin không tan ở nhiệt độ 500C trong 48h. Sau đó hỗn hợp được lên men bằng Saccharomyces (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});