Tài liệu Công nghệ sản xuất chất tạo ngọt từ vi sinh vật

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM BÁO CÁO TIỂU LUẬN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẤT TẠO NGỌT TỪ VI SINH VẬT GVHD: NGUYỄN THỊ THU SANG THỨ 5 TIẾT 7-8 NHÓM THỰC HIỆN: NHÓM 18 DANH SÁCH NHÓM STT 1 2 3 4 HỌ VÀ TÊN Đỗ Thiên Hương Trần Thị Thu Huyền Nguyễn Hoàng Khải Nguyễn Thị Quỳnh Như MSSV 2006120161 2006120220 2006120098 2006120177 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2015 1 MỨC ĐỘ HOÀN THÀNH CÔNG VIỆC CỦA CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM STT 1 2 3 4 HỌ VÀ TÊN Đỗ Thiên Hương Trần Thị Thu Huyền Nguyễn Hoàng Khải Nguyễn Thị Quỳnh Như MSSV MỨC ĐỘ HOÀN THÀNH 2006120161 100% 2006120220 100% 2006120098 100% 2006120177 100% 2 LỜI NÓI ĐẦU Xylitol là một loại chất tạo ngọt thuộc nhóm polyol. Xylitol đã được sử dụng như một chất tạo ngọt trong thực phẩm kể từ thập niên 1960. Nó được sử dụng rộng rãi như một chất ngọt thay thế đường cát bởi vai trò trong việc giảm sự phát triển của sâu răng. Xylitol có nguồn gốc thiên nhiên từ nhiều loại rau quả: trấu ngô, yến mạch, nấm…Nó có độ ngọt tương đương Saccharose với vị ngọt thanh không gây hậu vị khó chịu trong miệng và cung cấp chỉ bằng 2/3 lượng calories tương ứng. Hiện nay việc tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có để sản xuất xylitol phục vụ nhu cầu sử dụng ngày càng phát triển. Nó giúp tận dụng các nguyên liệu rẻ tiền và phục vụ nhu cầu sử dụng hiện nay.Vì vậy, nhóm chúng tôi thực hiện đề tài: “Công nghệ sản xuất chất tạo ngọt từ vi sinh vật” để tìm hiểu rõ hơn về công nghệ sản xuất xylitol từ vi sinh vật. Trong bài báo cáo còn nhiều sai sót mong cô và các bạn góp ý để bài báo cáo chúng tôi hoàn thiện hơn. TPHCM, Tháng 5 Năm 2015 Nhóm thực hiện NHÓM 18 3 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VÀ DANH MỤC BẢNG.......................................................................4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT TẠO NGỌT............................................................5 1.1.Định nghĩa.....................................................................................................................5 1.2.Phân loại........................................................................................................................ 6 1.3.Xylitol...........................................................................................................................7 CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT CHẤT TẠO NGỌT......................................................................7 2.1.Nguyên liệu...................................................................................................................7 2.2.Môi trường..................................................................................................................... 9 2.3.Vi sinh vật...................................................................................................................10 2.4.Quy trình công nghệ....................................................................................................12 2.4.1.Quy trình trích ly xylose từ nguyên liệu................................................................12 2.4.2.Quy trình lên men sản xuất xylitol........................................................................18 2.4.3.Sản phẩm..............................................................................................................24 2.4.4.Thành tựu công nghệ.............................................................................................24 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN.....................................................................................................27 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................28 4 DANH MỤC HÌNH VÀ DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH Hình 1: Cơ chế hình thành xylitol từ xylose.........................................................................7 Hình 2: Thiết bị tiệt trùng autoclave...................................................................................10 Hình 3: nấm men C.Tropicalis............................................................................................10 Hình 4: Nấm men Candida guilliermonlii..........................................................................11 Hình 5: Máy xay bã mía.....................................................................................................13 Hình 6: Thiết bị thuỷ phân bã mía......................................................................................14 Hình 7: Máy xử lý nguyên liệu...........................................................................................15 Hình 8: Cấu trúc lỗ hỏng của than hoạt tính và than hoạt tính dạng bột mịn......................16 Hình 9: Thiết bị lọc than hoạt tính......................................................................................16 Hình 10: Thiết bị cô đặc chân không..................................................................................17 Hình 11: Thiết bị lọc khung bản.........................................................................................20 Hình 12: Sơ đồ hệ thống trao đổi ion..................................................................................20 Hình 13: Cấu tạo D-xylulose..............................................................................................21 Hình 14: Cấu tạo xylitol......................................................................................................22 Hình 15: Một số loại nhựa trao đổi ion...............................................................................22 Hình 16: Sơ đồ thiết bị lên men..........................................................................................23 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Bảng số lượng các nhóm chức của lignin ( tính theo 100 đơn vị phenylpropan).....8 Bảng 2. Thành phần gỗ brich thủy phân...............................................................................8 Bảng 3. Thành phần hóa học của bắp...................................................................................9 Bảng 4: Xylitol được sản xuất từ trấu thủy phân nước nóng bằng cách lựa chọn phân lập.25 Bảng 5: ảnh hưởng của phương pháp xử lý vật lý và hóa học khác nhau trên thành phần trấu gạo...................................................................................................................................... 26 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT TẠO NGỌT 1.1.Định nghĩa Chất tạo ngọt: Là phụ gia tạo vị ngọt,chúng được thêm vào thực phẩm như chất thay thế đường. Được sử dụng khá phổ biến trong công nghệ chế biến và bảo quản thực phẩm. Đến nay, các nhà khoa học đã tìm thấy hàng trăm chất hóa học có khả năng tạo nên vị ngọt. Chúng được chiết tách từ thực vật hoặc được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp . Tuy nhiên chỉ vài chục chất được phép sử dụng trong công nghệ thực phẩm. Tùy theo quy định của mỗi quốc gia mà danh mục các chất tạo ngọt được phép sử dụng có thể khác nhau. Các nhà khoa học vẫn đang nổ lực tìm kiếm những chất tạo ngọt mới với các đặc tính kỹ thuật ưu việt hơn để được sử dụng trong sản xuất một số loại thực phẩm chức năng. 1.2.Phân loại Có nhiều phương pháp phân loại các chất tạo vị ngọt. Theo Branen và cộng sự (1989), các chất tạo vị ngọt có thể chia thành hai nhóm: có giá trị dinh dưỡng và không có giá trị dinh dưỡng Chất tạo ngọt Không có giá trị dinh dưỡng Có giá trị dinh dưỡng Glucid monosaccharide Disaccharide Glucose Frutose Galactose Saccharose Mantose Lactose Tự nhiên Polyols Hỗn hợp Đơn giản Hỗn hợp Đường nghịch đảo Syrup thuỷ phân từ Mật ong Xylitol Sorbitol Mannitol Maltitol Lactiol Glucose Syrup được hydrogen hoá Isomalt Tổng hợp Glycyrrhizin Stevioside Thaumatin Monelin Miracullin Dihidrochalcone Saccharine Cyclamate Acesulfame Aspartame Sucralose Dulcine 6 Khi sử dụng các chất tạo ngọt, người ta thường quan tâm đến ba khái niệm dưới đây:  Vị ngọt: Vị ngọt của Saccharose được xem là vị ngọt chuẩn. Một số chất ngọt có thể có vị ngọt pha lẫn (vd: glycyrrhizin có vị ngọt pha lẫn vị cam thảo)  Ngưỡng phát hiện: Nồng độ thấp nhất của dung dịch chất tạo vị ngọt để người sử dụng có thể cảm nhận và phát hiện được vị ngọt  Độ ngọt tương đối: Thường được so sánh với độ ngọt của chất chuẩn Saccharose. Việc xác định độ ngọt tương đối được thực hiện bằng cách so sánh tỷ lệ nồng độ chất tạo ngọt cần tím với chất chuẩn, sao cho vị ngọt của hai dung dịch là tương đương. Đơn vị đo nồng độ thường dùng là: phần trăm khối lượng (W/W) hoặc mol/l. 1.3.Xylitol Là một chất làm ngọt xuất hiện tự nhiên.Nó có thể được tìm thấy trong quả dâu tây, rau và nấm…Tiếng Phần Lan gọi nó là “koivusokeri” hay “đường phong”. Cách tốt nhất để sản xuất xylitol là sản xuất từ cây Bulô bằng việc băm nhỏ và nấu chảy sợi gỗ xylan. Hình 1: Cơ chế hình thành xylitol từ xylose Hydrolysis Hydrogenation (C5H8O4)n n(C5H10O5) n(C5H12O5) Pentosans Xylose Xylitol Tính chất:  Khối lượng phân tử: 152  Hình dạng: màu trắng, bột tinh thể  Không mùi  Điểm sôi: 1260C(760mmHg)  Điểm nóng chảy: 92-960C  Độ hòa tan ở 200C: 169g/100g nước, khó tan trong etanol, metanol  pH trong nước: 5-7  Nhiệt hòa tan: -34,8cal/g  Năng lượng: 4,06cal/g 7 CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT CHẤT TẠO NGỌT 2.1.Nguyên liệu. Bã mía: chế phẩm của nhà máy đường. Thành phần bã mía: - Cellulose: 39,2% - Hemicellulose: 19,7% - Ligin: 17,8% - Protein: 1,5% Hemixenloloze  Hemixenluloze thuộc nhóm pholysaccarit phi xenluloza.  Hemixenluloze là hỗn hợp của một số loại pholysaccarit khi thủy phân chủ yếu tạo ra một số đồng phân lập thể thuộc heoza.  Hemixenluloze gồm các pholysaccarit mà mạch phân tử có thể là homopolyme hoặc opolyme.  Các đơn vị mắc xích của các pholysaccarit hemixenluloza thường là vòng anhydro của các saccarit như D-xyloza, L-arabubiza.  Trong thành phần của một số pholysaccarit hemixenluloza còn liên kết với nhóm axetyl làm cho thành phần của hemixenluloza trở nên phức tạp hơn. Lingin  Là hợp chất cao phân tử có hoạt tính thơm, bộ khung của đơn vị mắc xích lignin là phenyl propan.  Các nhóm chức có ảnh hưởng lớn nhất đến tính chất của lignin là nhóm hydroxyl phenol, nhóm hydroxyl rượu benzolic và nhóm cacbonyl. Bảng 1: Bảng số lượng các nhóm chức của lignin ( tính theo 100 đơn vị phenylpropan) Nhóm chức Metoxyl 139-158 Hydroxyl phenol(tự do) 9-13 Bảng 2. Thành phần gỗ brich thủy phân Component Concentration(g/l) 8 Xylose 110.0 Glucose 3.1 Rhamnose 3.5 Mannose 3.4 Galactose 1.5 arabinose 1.6 Bảng 3. Thành phần hóa học của bắp hydrolysate Com fiber Xylose Glucose Arabinose Galactose Mannose Reference (%) (%) (%) (%) (%) 17 37 11 4 - Saha & bothast( 1999) 30-41 25-38 21-28 4-6 - Hespell(1998) 20 20 10 - - Leathers(1996) 20 16 11 2 - Dien(1999) 2.2.Môi trường Thành phần môi trường cần cho lên men.  Xylose: 5-15g/l  Glucose: 0.5-2g/l  Dịch chiết nấm men: 0.2-2g/l  (NH4)2SO4: 0.2-2mg/l  (KH2)PO4: 0.2-2mg/l  MgSO4: 0.02-0.1mg/l Thực hiện: 9 Xylose, glucose được pha với thành phần thích hợp, bổ sung MgSO4 - Tiệt trùng  Điều kiện: 1210C, áp suất 1.5atm, thời gian 15 phút.  Thiết bị: autoclave Hình 2: Thiết bị tiệt trùng autoclave - Bổ sung dịch nấm men và các khoáng còn lại. - Chỉnh pH: 4,5-5,5 2.3.Vi sinh vật. 2.3.1.Candida tropicalis. Đặc điểm:  Chủng: nấm  Ngành: ascomycota  Lớp: saccharomycetes  Bộ: saccharomycetales  Họ: saccharomycetaceae  Giống: candida  Loài:C.tropicalis 10 Hình 3: nấm men C.Tropicalis Candida tropicalis là một loại nấm men có hình tròn hoặc bầu dục, kích thước khoảng 5.5x4.0-9.0  m. Tính chất.  Nguồn cacbon: xylose, glucose, maltose, galactose.  Nguồn nito: muối amoni  Nhiệt độ tối thích: 300C  pH: 4.1-5.3  Nhu cầu oxi: vi sinh vật kị khí tùy tiện.  Hình thức sinh sản: sinh sản hữu tính. 2.3.2.Candida guilliermonlii. Hình 4: Nấm men Candida guilliermonlii. Đặc điểm.  Chủng: nấm  Ngành: Ascomycota  Lớp: Saccharomycetes  Bộ:Saccgaromycetales  Họ: Saccharomycetaceae  Giống:pichia  Loài: p.guilliermonlii  Candida guilliermonlii là một loại nấm men có hình tròn hoặc bầu dục, kích thước khoảng 2.0-4.0 x 3.0-6.5  m. Tính chất.  Nguồn cacbon: xylose. Glucose.Sucrose.  Nguồn nito: muối amoni  Nhiệt độ tối thích: 300C  pH: 3.5-7  Nhu cầu oxi: vi sinh vật kị khí tùy tiện. 11  Hình thức sinh sản: sinh sản hữu tính. 2.4.Quy trình công nghệ. 2.4.1.Quy trình trích ly xylose từ nguyên liệu. Bã mía xay Rửa Nước Sấy Phối trộn HCL Gia nhiệt Thủy phân Nước nóng Lọc Pha rắn Pha lỏng ép Sản phẩm phụ 12 Giải thích qui trình 1. Xay Mục đích: tác đông cơ học giảm kích thước nguyên liệu (kích thước tối đa là dài 1,5cm), chuẩn bị cho quá trình thủy phân. Thiết bị: Hình 5: Máy xay bã mía 2. Rửa Mục đích: loại bỏ những thành phần khoáng không tan ( đất, cát, kim loại…) 3. Sấy Mục đích: giảm thành phần ẩm xuống 10% và thành phần tro duy trì ổn định ở mức tối đa là 1%. Phương pháp thực hiện: sấy tự nhiên ( phơi dưới ánh nắng mặt trời) 4. Phối trộn Mục đích: chuẩn bị cho quá trình thủy phân Phương pháp thực hiện: dung dịch axid clohydric ( hoặc acid sulfuric) và bã mía được phối trộn theo tỷ lệ HCl: bã mía khô là 10:1. Hỗn hợp được trộn kỹ trong thùng quay và được chuyển qua thiết bị trao đổi nhiệt. 5. Gia nhiệt Mục đích: chuẩn bị cho quá trình thủy phân. Quá trình này là quá trình tiền thủy phân thành phần hemixellulose trong bã mía. Phương pháp thực hiện: dịch acid và mía được gia nhiệt lên 100-125 0C trong 40-75 phút. Thiết bị: thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ áo. 6. Thủy phân Mục đích: dưới tác dụng cùa acid các polysaccharide sẽ thủy phân thành monosaccharide. Trong đó hemicellulose thủy phân thành xylose. Thực hiện: bán thành phẩm từ thiết bị trao đổi nhiệt (hỗn hợp bã mía và dịch acid) được thủy phân liên tục trên băng tải, ở đây hỗn hợp được tưới bằng nước nóng 1000C. 13 Hình 6: Thiết bị thuỷ phân bã mía 7. Lọc Mục đích: thu dịch lọc chứa xylose Phương pháp thực hiện: hỗn hợp được lọc lấy phần lỏng. Dịch lỏng được thu vào những bình đáy hình nón được đặt ngay dưới băng tải, quá trình này trích ly hoàn toàn thành phần xylose của bã mía. Sản phẩm thủy phân được thu vào bình đáy hình nón chứa khoảng 17-20% xylose 14 Hình 7: Máy xử lý nguyên liệu 8. Xử lý pha lỏng a. Lọc Mục đích: để loại bỏ những phần chưa được thuỷ phân. Thiết bị: thiết bị lọc dùng vải lọc b. Xử lý dịch lọc với than hoạt tính 15 Hình 8: Cấu trúc lỗ hỏng của than hoạt tính và than hoạt tính dạng bột mịn Mục đích: Để hạn chế nồng độ các chất ức chế quá trình lên men sinh ra trong quá trình thuỷ phân như acid acetic, furfural, hydroxyl metyl furfural, hợp chất phenolic. Phương pháp thực hiện: Hỗn hợp sau khi thuỷ phân sẽ được xử lý bằng than hoạt tính ở 300C trong 60 phút, và thường được tiến hành 3 lần, quá trình này được thực hiện ngay sau quá trình lọc. Thiết bị: Hình 9: Thiết bị lọc than hoạt tính c. cô đặc chân không Mục đích: tăng hàm lượng xylose như mong muốn, đáp ứng cho quá trình lên men. Phương pháp: nhiệt độ cô đặc 700C. pH được đều chỉnh ở 5,4 sử dụng NaOH 0,1N Thiết bị: thiết bị cô đặc chân không 16 Hình 10: Thiết bị cô đặc chân không Nguyên lý hoạt động: Dung dịch hoặc hỗn hợp (quả, miếng và dịch) cho vào thiết bị qua cửa nạp nguyên liệu. Sau đó đóng chặt cửa lại. Mở van hơi cấp nhiệt cho thiết bị. Dưới tác dụng của hơi nước bão hoà, hỗn hợp dịch trong thiết bị được nâng dần nhiệt độ. Khi nhiệt độ dịch đạt 70750C, bơm chân không hoạt động, hút hơi ẩm ra ngoài, tạo độ chân không cho thiết bị. Khi áp suất chân không làm việc đạt p= 500-600 mmHg, điều chỉnh van hơi sao cho thông số của thiết bị ổn định, lúc này dịch trong thiết bị sôi, chất lỏng được hoá hơi và hơi được hút ra ngoài bằng bơm chân không. Nồng độ chất hoà tan trong dịch tăng dần lên, quá trình thẩm thấu chất hoà tan diễn ra làm nồng độ chất khô trong dịch cũng tăng dần. Quá trình diễn ra liên tục cho đến khi nồng độ chất khô của sản phẩm đạt yêu cầu. sản phẩm được tháo ra ngoài qua cửa tháo sản phẩm. Kết quả: Thành phần đạt được sau cô đặc Xylose = 46 g/l Glucose = 1,8 g/l Arabinose = 2,5 g/l Total phenols = 1,78 g/l Furfural = 0,011 g/l Hydroxymethylfurfural = 0,004 g/l 17 2.4.2.Quy trình lên men sản xuất xylitol Nguyên liệu Giống Nhân giống Lên men Tách và tinh chế Xylitol Giải thích quy trình công nghệ 1. Nhân giống Mục đích: tạo giống cho sản phẩm từ giống gốc. Thực hiện: Phục hồi giống nuôi trong môi trường thạch nghiêng (40g/ml malt, 15g/ml agar) ủ ở nhiệt độ 25oC cho đến khi tạo bào tử. Chuẩn bị môi trường lên men và cấy giống theo các cấp cho đến khi đủ canh trường để lên men cho sản xuất. Sơ đồ nhân giống:  Thể tích lên men: 150m3.  Tỉ lệ bổ sung môi trường giống: 5- 10% thể tích môi trường.  Ống giống gốc được đưa vào erlen 50ml (chứa 15ml môi trường).  Erlen 500ml chứa 150ml môi trường.  Thùng 5 lít chứa 2 lít môi trường.  Thùng 50 lít chứa 15 lít môi trường.  Bồn 5h chứa 150 lít môi trường.  Bồn 5m3 chứa 1.5 m3 môi trường. 18  Bồn 20m3 chứa 15m3 môi trường (giống cho sản xuất). 2. Lên men Mục đích: Quá trình trao đổi chất của VSV sẽ tăng sinh khối và sản phẩm (xylitol). Thực hiện: môi trường sẽ được bơm bào thiết bị lên men, tiếp theo giống được cho vào. Oxy được bơm liên tục trong quá trình lên men. Thông số công nghệ  Nhiệt độ lên men: 28- 32oC.  pH= 4.5 -5.5.  Thời gian lên men: kết thúc khi xylose được sử dụng hoàn toàn (48h).  Tốc độ cánh khuấy: 300- 600rpm.  Tốc độ oxy: hòa tan trong môi trường 0.1- 5% của không khí bão hòa. Vấn đề tiến hành bổ sung môi trường  Bắt đầu bổ sung môi trường khi hàm lượng xylose còn khoảng 3-6 %.  Môi trường bổ sung: 1 lít chứa 700g xylose và 100g glucose, ngoài ra còn có các chất dinh dưỡng.  Tốc độ bổ sung: 6.04g/l.h. Các yếu tố ảnh hưởng của quá trình lên men - Hàm lượng glucose trong môi trường nuôi cấy:  Glucose nguồn dinh dưỡng, giúp vi sinh vật tăng sinh khối. Sinh khối nhiều làm tăng sản phẩm.  Sự tạo thành ethanol trong quá trình trao đổi chất, gây ức chế tế bào hoặc ức chế sản xuất sản phẩm.  Vậy cần có hàm lượng đường tối ưu. - Hàm lượng oxy và thế oxy hoá khử:  Hàm lượng oxy thay đổi thế oxy hoá khử thay đổi.  Ảnh hưởng lên hiệu suất tạo sản phẩm (xylitol). Điểm oxi hóa khử tối ưu: -100mv. Để điều khiển thông số này ta dùng một cảm ứng thế oxy hóa, cảm biến sẽ thu được một tín hiệu gửi về bộ phần điều khiển, từ đó sẽ điều chỉnh vận tốc oxy cho phù hợp. 3. Tách và tinh chế Mục đích : thu nhận sản phẩm Dịch sau khi lên men bao gồm: sinh khối (nấm men), đường sót (D- xylose) và một số chất khác. 4. Quy trình thu Xilytol: 19 a. Lọc – khử khoáng  Mục đích: tái sinh khối nấm men và cặn nhằm thu dịch trong chứa Xilytol.  Thực hiện: dịch sau lên men được bơm qua thiết bị lọc khung bản. Sinh khối và cặn được giữ lại trên màng, ta thu được dịch trong. Hình 11: Thiết bị lọc khung bản Dịch trong thu được sẽ qua quá trình khử khoáng. 20