Tài liệu Nghiên cứu chuyển hóa saccharose thành fructooligosaccharides (fos) và tinh sạch fos bằng phương pháp lọc nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THỊ HỒNG ÁNH NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA SACCHAROSE THÀNH FRUCTOOLIGOSACCHARIDES (FOS) VÀ TINH SẠCH FOS BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC NANO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THỊ HỒNG ÁNH NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA SACCHAROSE THÀNH FRUCTOOLIGOSACCHARIDES (FOS) VÀ TINH SẠCH FOS BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC NANO Chuyên ngành: Chế biến thực phẩm và đồ uống Mã số chuyên ngành: 62540201 Phản biện độc lập 1: PGS. TS Nguyễn Thị Xuân Sâm Phản biện độc lập 2: PGS. TS Lý Nguyễn Bình Phản biện 1: GS. TSKH Lưu Duẩn Phản biện 2: PGS. TS Nguyễn Tiến Thắng Phản biện 3: PGS. TS Mai Thanh Phong NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Đống Thị Anh Đào 2. TS Nguyễn Hữu Phúc LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất cứ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu. Tác giả luận án Lê Thị Hồng Ánh i TÓM TẮT LUẬN ÁN Sản xuất prebiotic và bổ sung prebiotic vào thực phẩm là xu hướng nổi bật của các nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm hiện nay trên toàn thế giới. Một trong những prebiotic đã và đang được quan tâm nhiều là fructooligosaccharides (FOS). Chính vì vậy, việc nghiên cứu sản xuất FOS có độ tinh khiết cao, phù hợp với tiêu chuẩn chế biến thực phẩm từ nguồn nguyên liệu trong nước thật sự là vấn đề cần quan tâm và phát triển. Để góp phần giải quyết vấn đề trên, luận án tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng, động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme fructosyltransferase (FTS) và nghiên cứu nâng cao độ tinh khiết của FOS bằng phương pháp lọc nano. Luận án đã đạt được một số kết quả chính như sau: 1) Kết quả nghiên cứu lý thuyết  Xây dựng được mô hình động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS.  Xác định được quy luật ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến khả năng phân riêng monosaccharides, saccharose, FOS bằng màng lọc nano và đề xuất phương án lọc tuần hoàn kết hợp pha loãng để nâng cao độ tinh khiết của FOS. 2) Kết quả nghiên cứu thực nghiệm  Đã xác định các thông số động học của enzyme FTS bằng phương pháp giải thuật di truyền, giúp giảm thiểu số thí nghiệm, thời gian và chi phí khi nghiên cứu động học phản ứng enzyme, đặc biệt trong trường hợp phản ứng có nhiều cơ chất.  Xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ, pH, nồng độ saccharose ban đầu và tỷ lệ enzyme đến hiệu suất chuyển hóa saccharose thành FOS, từ đó xác định được điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp FOS. ii  Đã tối ưu hóa các thông số công nghệ của quá trình lọc nano bằng phương pháp vùng cấm và lựa chọn chế độ lọc tuần hoàn thích hợp để nâng cao độ tinh khiết của FOS đến 86,7%. Những kết quả trên bước đầu đã tạo tiền đề cho việc triển khai công nghệ, ứng dụng vào thực tế, đồng thời là nguồn tham khảo tin cậy cho những nghiên cứu tiếp theo trong cùng lĩnh vực. iii ABSTRACT OF THESIS Nowadays, production of prebiotic and prebiotic supplements in food products is considered a prominent trend in food technology worldwide. One of the most interested prebiotics is fructooligosaccharides (FOS). Hence, the study of producing high purity of FOS that can meet the food processing standards from domestic materials must be a matter of concern and development. To solve this problem, the thesis aims to study the influencing factors, the kinetics of FOS synthesis from sucrose using fructosyltransferase (FTS), and the improvement of purity of FOS by nanofiltration. Thesis has achieved some major results are as follows: 1) Theoretical results  A kinetics model of FOS synthesis from sucrose using fructosyltransferase was built.  Rules of main factors that give impacts of technological parameters on the separation of monosaccharides, saccharose and FOS by nanofiltration were determined, and the technique of diafiltration to enhance the purity of FOS was also proposed. 2) Experimental results  The parameters of enzyme kinetics FTS by genetic algorithm method were determined. The result reduced the quantity of experiments, time and cost related to study of kinetics of FTS enzyme, especially in case of multiple substrates.  The regression equation which stimulates the effects of temperature, pH, initial concentration of sucrose and enzyme rate on the performance of transforming saccharose into FOS was established. Then, the optimum conditions of FOS synthesis was determined.  Main parameters of nanofiltration process were optimized by means of restricted areas. Moreover, the optimum diafiltration mechanism was also set to enhance the purity of FOS to 86.7%. iv The results have established initial steps for the application of new technology into practice. In addition, results found in this thesis would be useful references for further research in the same field. v LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành là kết quả sự nỗ lực của bản thân cùng những giúp đỡ, động viên tinh thần của các thầy, cô, gia đình, đồng nghiệp, bạn bè. Với tất cả sự chân thành, tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Đống Thị Anh Đào đã tận tình hướng dẫn, nâng bước tinh thần cho tôi trong suốt thời gian vừa qua; xin cảm ơn TS Nguyễn Hữu Phúc đã giúp đỡ, góp ý cho luận án. Tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình bé nhỏ đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu, yên tâm làm việc, cảm ơn các con Vĩnh Liêm, Viên Phương và Thục Khuê đã mang lại niềm vui và nhiệt tình cho mẹ. Đặc biệt, cảm ơn người bạn Như Nguyện đã sát cánh nghiên cứu cùng tôi, từng ngày từng ngày, dù đã ở thật xa, vẫn luôn hỗ trợ và động viên tôi hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin cảm ơn Khoa Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách khoa, tập thể đồng nghiệp khoa Công nghệ thực phẩm – Trường Đại học Công nghiệp thực phẩm TP.HCM đã giúp đỡ và chia sẻ với tôi trong thời gian vừa qua. Leâ Thò Hoàng AÙnh vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i TÓM TẮT LUẬN ÁN .................................................................................................. ii ABSTRACT OF THESIS ............................................................................................iv LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................vi MỤC LỤC ................................................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH...................................................................................ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................. x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................................. xii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. TỔNG QUAN, HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG CHÍNH ..................... 4 1.1. FOS và prebiotic ................................................................................................... 4 1.2. Các phương pháp tổng hợp FOS từ saccharose .................................................... 8 1.3. Động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS ....... 14 1.4. Các phương pháp nâng cao độ tinh khiết của FOS ............................................. 20 1.5. Ứng dụng phương pháp giải thuật di truyền (GA - Genetic Algorithm) vào bài toán tìm kiếm và tối ưu .............................................................................................. 30 1.6. Những vấn đề tồn tại trong công nghệ sản xuất FOS ......................................... 32 1.7. Hướng nghiên cứu và nội dung nghiên cứu của luận án .................................... 33 2. NGUYÊN VẬT LIỆU, HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................................................. 36 2.1. Nguyên liệu ......................................................................................................... 36 2.2. Hóa chất .............................................................................................................. 36 2.3. Màng lọc nano .................................................................................................... 37 2.4. Thiết bị ................................................................................................................ 39 2.5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 40 2.6. Phương pháp phân tích ....................................................................................... 41 vii 3. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA SACCHAROSE THÀNH FOS BẰNG ENZYME FTS THU NHẬN TỪ ASPERGILLUS FLAVIPES .................................................................. 43 3.1. Tổng hợp FOS từ saccharose bằng enzyme FTS ................................................ 43 3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp FOS từ saccharose bằng enzyme FTS ...................................................................................................... 44 3.3. Nghiên cứu động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS thu nhận từ Aspergillus flavipes ........................................................... 51 3.4. Đánh giá mức độ tương thích của mô hình toán học đã xây dựng với thực nghiệm........................................................................................................................ 64 3.5. Kết luận ............................................................................................................... 66 4. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ TINH KHIẾT CỦA FOS BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC NANO ...................................................................................................... 67 4.1. Nghiên cứu lựa chọn màng lọc nano để tinh sạch FOS ...................................... 67 4.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ glucose, fructose và saccharose ra khỏi dung dịch FOS sau tổng hợp bằng phương pháp lọc nano ......... 69 4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của phương thức pha loãng trong quá trình lọc nano đến độ tinh khiết và hiệu suất thu hồi FOS ................................................................ 94 4.4. Kiểm tra chất lượng, xác định tổng hiệu suất thu hồi sản phẩm FOS 85% ......106 4.5. Kết luận .............................................................................................................108 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................................109 5.1. Kết luận .............................................................................................................109 5.2. Kiến nghị...........................................................................................................110 6. CÁC TÀI LIỆU CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ......................................................111 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................112 viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Tỷ lệ tiêu thụ các loại prebiotic trên thế giới năm 2008 ................................ 4 Hình 1.2. Cấu trúc của một số phân tử FOS ................................................................... 5 Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống sản xuất FOS phổ thông (Neosugar G) và FOS cao độ (Neosugar P) sử dụng phương pháp lọc gel ................................................................. 13 Hình 1.4. So sánh kết quả giữa dự đoán theo mô hình toán học và thực nghiệm ......... 18 Hình 1.5. So sánh kết quả giữa dự đoán theo mô hình của Lee và thực nghiệm với nồng độ saccharose ban đầu là 400g/L .......................................................................... 19 Hình 1.6. So sánh kết quả dự đoán theo mô hình của Rocha và thực nghiệm ............. 20 Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống phức hợp sản xuất FOS cao độ theo nghiên cứu của Sheu và cộng sự ............................................................................................................. 24 Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm với bình phản ứng có tích hợp bộ phận lọc màng trong nghiên cứu của Nishizawa và cộng sự ................................................ 26 Hình 2.1. Hệ thống thiết bị lọc nano sử dụng màng dạng cuộn xoắn ........................... 39 Hình 3.1. Quy trình tổng hợp FOS từ saccharose bằng enzyme FTS ........................... 43 Hình 3.2. Lưu đồ thuật toán xây dựng quần thể bằng phương pháp ngẫu nhiên .......... 59 Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán tìm nghiệm tối ưu bằng phương pháp giải thuật di truyền ......................................................................................................................... 61 Hình 3.4. So sánh giữa mô hình động học phản ứng tổng hợp FOS bằng enzyme FTS với thực nghiệm ..................................................................................................... 65 Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống thiết bị lọc nano .................................................................... 68 Hình 4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ phân riêng và thông lượng dòng qua màng . 72 Hình 4.3. Ảnh hưởng của nồng độ tới độ phân riêng và thông lượng dòng qua màng . 77 Hình 4.4. Cơ chế quá trình lọc nano .............................................................................. 78 Hình 4.5. Ảnh hưởng của lưu lượng tới tới độ phân riêng,thông lượng dòng qua màng ....................................................................................................................................... 82 Hình 4.6. Ảnh hưởng của áp suất tới độ phân riêng và thông lượng dòng qua màng... 85 Hình 4.7. Ảnh hưởng của nồng độ nhập liệu tới thông lượng dòng (DS-5-DL) ........... 94 Hình 4.8. Sự thay đổi của nồng độ các đường, độ tinh khiết của FOS, hiệu suất thu hồi FOS theo số bước lặp đối với các phương thức pha loãng khác nhau (màng DS-5-DL)............................................................................................................ 99 Hình 4.9. Sự thay đổi của nồng độ các đường, độ tinh khiết của FOS, hiệu suất thu hồi FOS theo số bước lặp đối với các phương thức pha loãng khác nhau (màng G5) ....................................................................................................................103 Hình 4.10. Sắc ký đồ FOS phổ thông và sản phẩm FOS cao độ ................................ 107 ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tổng kết thị trường prebiotic trên thế giới giai đoạn 2004-2009 và dự đoán giai đoạn 2009-2014 .......................................................................................... 4 Bảng 1.2. Tỷ lệ bổ sung FOS vào một số thực phẩm ...................................................... 7 Bảng 1.3. Thông số động học của một số enzyme FTS ................................................ 17 Bảng 1.4. So sánh các phương pháp tinh sạch FOS ...................................................... 28 Bảng 2.1. Chỉ tiêu chất lượng của đường saccharose .................................................... 36 Bảng 2.2. Đặc tính của enzyme FTS ............................................................................. 36 Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật của màng M-N2514A5 ................................................... 37 Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của màng DS-5-DK......................................................... 38 Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của màng DS-5-DL ......................................................... 38 Bảng 2.6. Thông số kỹ thuật của màng G5 ................................................................... 38 Bảng 2.7. Thông số kỹ thuật của màng GM .................................................................. 39 Bảng 3.1. Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố trong quá trình chuyển hóa saccharose thành FOS sử dụng enzyme FTS ................................................................ 45 Bảng 3.2. Kết quả thực nghiệm theo ma trận TYT 24 ................................................... 45 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình tổng hợp FOS bằng enzyme FTS ................................................................................................................... 50 Bảng 3.4. Thông số động học của enzyme FTS thu nhận từ Aspergillus flavipes xác định bằng phương pháp giải thuật di truyền ........................................................... 62 Bảng 4.1. Khả năng phân riêng monosaccharides, saccharose, FOS của các màng ..... 68 Bảng 4.2. Bố trí thí nghiệm nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc nano (Màng DS-5-DL) ........................................................................................................... 69 Bảng 4.3. Bố trí thí nghiệm nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc nano (Màng G5) ..................................................................................................................... 70 Bảng 4.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lọc nano ................ 71 Bảng 4.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ nhập liệu đến quá trình lọc nano 76 Bảng 4.6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng nhập liệu đến quá trình lọc nano.......................................................................................................................... 80 Bảng 4.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của áp suất đến quá trình lọc nano .................. 83 Bảng 4.8. Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố (màng DS-5-DL) ........................ 88 Bảng 4.9. Ma trận thực nghiệm toàn phần, k=2 và kết quả (màng DS-5-DL) .............. 88 Bảng 4.10. Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố (màng G5) ................................ 89 Bảng 4.11. Ma trận thực nghiệm toàn phần, k=2 và kết quả (màng G5) ...................... 90 x Bảng 4.12. Bố trí thí nghiệm lọc tuần hoàn có pha loãng ............................................. 95 Bảng 4.13. Kết quả thí nghiệm lọc tuần hoàn có pha loãng theo phương thức CVD (Màng DS-5-DL) ........................................................................................................... 96 Bảng 4.14. Kết quả thí nghiệm lọc tuần hoàn có pha loãng theo phương thức VVD 0,95:1 (Màng DS-5-DL) ...................................................................................... 97 Bảng 4.15. Kết quả thí nghiệm lọc tuần hoàn có pha loãng theo phương thức VVD 0,90:1 (Màng DS-5-DL) ...................................................................................... 98 Bảng 4.16. Kết quả thí nghiệm lọc tuần hoàn có pha loãng theo phương thức CVD (Màng G5) ..........................................................................................................100 Bảng 4.17. Kết quả thí nghiệm lọc tuần hoàn có pha loãng theo phương thức VVD 0,95:1 (Màng G5) ..............................................................................................101 Bảng 4.18. Kết quả thí nghiệm lọc tuần hoàn có pha loãng theo phương thức VVD 0,9:1 (Màng G5) ................................................................................................ 101 Bảng 4.19. Kết quả thí nghiệm lọc tuần hoàn có pha loãng theo phương thức VVD 0,85:1 (Màng G5) ..............................................................................................102 Bảng 4.20. Số bước lặp trong các phương thức pha loãng ..........................................105 Bảng 4.21. Hiệu suất thu hồi FOS trong các phương thức pha loãng .........................105 Bảng 4.22. Các phương thức pha loãng có thể áp dụng để tinh sạch FOS .................106 Bảng 4.23. Kết quả kiểm tra chất lượng sản phẩm FOS 85% .....................................106 xi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Thuật ngữ tiếng Việt CAT Catalase CVD Phương pháp lọc tuần hoàn với thể tích không đổi F Fructose FOS Fructooligosaccharides FTS Fructosyltransferase G Glucose GA Genetic Algorithm - Giải thuật di truyền GF Saccharose GF2 1-kestose GF3 Nystose GF4 1F- Fructosylnystose GI Glucose isomerase GOD Glucose oxidase MF Quá trình vi lọc MWCO Giới hạn khối lượng phân tử NF Quá trình lọc nano RO Quá trình lọc thẩm thấu ngược SA Simulated Anneaning - Phương pháp mô phỏng luyện kim SCFA Acid béo mạch ngắn UF Quá trình siêu lọc VVD Phương pháp lọc tuần hoàn với thể tích thay đổi w/w khối lượng/khối lượng w/v khối lượng/thể tích v/v thể tích/thể tích xii MỞ ĐẦU Fructooligosaccharides (FOS) ngày càng được sử dụng rộng rãi để bổ sung vào thực phẩm như sữa, bánh kẹo…vì những đặc tính sinh học có lợi cho cơ thể con người. Các nhà khoa học đã chứng minh FOS có khả năng cải thiện hệ vi sinh vật hữu ích trong đường ruột (Bifidobacteria, Lactobacilli), ít gây sâu răng, giảm lượng triglycerides trong máu, tăng khả năng hấp thu canxi cho cơ thể… nên có tác dụng tốt đối với trẻ em, người già, các bệnh nhân tiểu đường, béo phì, mỡ máu…[1], [2], [3], [4]. Tại Việt Nam, người tiêu dùng đã quen với một số thực phẩm được bổ sung FOS như sữa bột Ensure, Nestle, Dielac, một số loại bánh (Kinh Đô, Bibica), kẹo… Mặc dù nhu cầu tiêu thụ FOS tại Việt Nam rất cao nhưng hiện nay thị trường sản xuất FOS trong nước chưa phát triển, các nhà máy vẫn sử dụng 100% sản phẩm FOS ngoại nhập từ các hãng Orafti (Bỉ), Meiji Seika Kaisha (Nhật)… Cũng chính vì vậy, nghiên cứu công nghệ sản xuất FOS từ saccharose và sản xuất ở quy mô pilot đã được chính phủ quan tâm và đưa vào nội dung chính trong chương trình nghiên cứu trọng điểm quốc gia phát triển công nghiệp hóa dược đến năm 2020 (quyết định số 61/2007/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ ký ngày 7/5/2007). Do đó, việc nghiên cứu quá trình chuyển hóa saccharose thành FOS và tinh sạch để thu được FOS có độ tinh khiết cao (>75%), từ nguyên liệu sẵn có trong nước, thay thế FOS nhập ngoại, là vấn đề thực sự cần thiết, có ý nghĩa khoa học, có giá trị thực tiễn và tính xã hội cao. Mục tiêu của luận án: (1) Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme fructosyltransferase (FTS) thu nhận từ Aspergillus flavipes nhằm lựa chọn các thông số công nghệ thích hợp và thông qua mô hình hóa về động học phản ứng, có thể dự đoán được nồng độ saccharose, glucose, fructose, FOS theo thời gian phản ứng, tăng khả năng chủ động điều khiển quá trình tổng hợp FOS. (2) Nghiên cứu nâng cao độ tinh khiết của FOS bằng phương pháp lọc nano, khẳng định tính ưu việt của phương pháp này so với các phương pháp truyền thống như lên men, enzyme. 1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: (1) Đã nghiên cứu một cách có hệ thống về công nghệ sản xuất FOS, bao gồm cả chuyển hóa tạo FOS và tinh sạch đến độ tinh khiết 86%, phù hợp với tiêu chuẩn sử dụng cho thực phẩm. Đặc biệt, đã chứng minh được cơ chế phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS thông qua mô hình động học và dữ liệu thực nghiệm. Các kết quả thu được có ý nghĩa như những bước khai phá ban đầu để các nhà khoa học công nghệ khác tham khảo khi nghiên cứu về lĩnh vực này. (2) Đã xác định được các thông số công nghệ tối ưu và xây dựng mô hình toán học mô tả động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme FTS dưới dạng hệ phương trình vi phân. Đây là cơ sở khoa học quan trọng cho việc tiến tới chủ động điều khiển quá trình tổng hợp FOS, hướng tới quy mô công nghiệp. (3) Lần đầu tiên đã ứng dụng thành công phương pháp giải thuật di truyền (GA – Genetic Algorithm) để xác định các thông số động học của enzyme FTS và tối ưu hóa thông số công nghệ của quá trình lọc nano bằng phương pháp vùng cấm. Thành công bước đầu này đã chứng minh một cách thuyết phục rằng ứng dụng lý thuyết toán học vào giải quyết các vấn đề của khoa học công nghệ sẽ mang lại hiệu quả tốt, chính xác, rút ngắn khoảng cách giữa toán học với các ngành khoa học công nghệ. (4) Đã xác định được quy luật ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ, lưu lượng, áp suất đến khả năng phân riêng monosaccharides, saccharose, FOS bằng màng lọc nano và xác lập được chế độ lọc nano thích hợp nhằm nâng cao độ tinh khiết của FOS. (5) Việc ứng dụng thành công màng lọc nano để tách các cấu tử có kích thước phân tử như glucose, fructose, saccharose… ra khỏi hỗn hợp nhiều cấu tử là gợi ý có sức thuyết phục các nhà khoa học Việt Nam trong việc nghiên cứu vật liệu nano ứng dụng vào thực tế sản xuất các quá trình của công nghệ cao như tinh sạch enzyme, kháng sinh, các hoạt chất sinh học… 2 Luận án được trình bày trong 110 trang, chia làm 5 chương bao gồm:  Mở đầu (03 trang).  Chương 1: Tổng quan, hướng nghiên cứu và nội dung chính (32 trang).  Chương 2: Nguyên vật liệu, hóa chất, thiết bị và phương pháp nghiên cứu (07 trang).  Chương 3: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và động học phản ứng chuyển hóa saccharose thành FOS bằng enzyme fructosyltransferase (FTS) thu nhận từ Aspergillus flavipes (24 trang).  Chương 4: Nghiên cứu nâng cao độ tinh khiết của FOS bằng phương pháp lọc nano (42 trang).  Chương 5: Kết luận và kiến nghị (02 trang) 3 1. TỔNG QUAN, HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG CHÍNH 1.1. FOS và prebiotic Prebiotic là nguồn thức ăn cho các vi sinh vật sống hữu ích trong đường ruột vật chủ. Nhờ có prebiotic mà vi sinh vật hữu ích có điều kiện phát triển mạnh mẽ hơn, do đó cải thiện hệ tiêu hóa cho vật chủ. Trên thế giới có trên 400 sản phẩm prebiotic từ hơn 20 công ty sản xuất. Ở châu Âu, tổng doanh thu của thực phẩm chức năng vào năm 2005 là khoảng 8 tỷ euro, trong đó phân đoạn prebiotic khoảng 87 triệu euro. Khả năng sản xuất prebiotic ở châu Âu ước tính khoảng 30.000 tấn/năm, bao gồm inulin, oligofructose, fructooligosaccharides (FOS), galacto-oligosaccharides (GOS) và lactulose, trong đó FOS chiếm 19,7%. Thị trường oligosaccharides tăng trưởng khoảng 15% mỗi năm [5], [6]. Bảng 1.1. Tổng kết thị trường prebiotic trên thế giới giai đoạn 2004-2009 và dự đoán giai đoạn 2009-2014 [7] Năm 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Tổng doanh thu (triệu USD) Năm Tổng doanh thu (triệu USD) 268,13 291,72 317,50 349,42 406,03 466,59 2010 2011 2012 2013 2014 526,41 585,84 645,29 705,08 765,85 Hình 1.1. Tỷ lệ tiêu thụ các loại prebiotic trên thế giới năm 2008 [6] Các prebiotic được bổ sung nhiều vào thực phẩm là fructo-oligosaccharides (FOS), galacto-oligosaccharides (GOS), isomalto-oligosaccharides (IMO), inulin và oligosaccharides đậu nành [8]. Trong số đó, FOS được các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm bởi chúng có nhiều hoạt tính sinh học tốt cho cơ thể của người, dễ thu nhận 4 và phạm vi ứng dụng rộng rãi. Meiji Seika Co. là công ty đầu tiên sản xuất FOS thương mại từ saccharose với tác nhân là Aspergillus niger vào năm 1984. Sản phẩm được đưa ra thị trường Nhật Bản với tên gọi Meioligo (Neosugar). Công ty này sau đó thiết lập một liên doanh với Beghin-Say của Pháp và sản xuất FOS với tên thương mại Actilight. Ngoài ra, công ty Cheil Foods & Chemical của Hàn Quốc cũng đã sản xuất FOS ở quy mô công nghiệp với tác nhân là các tế bào Aureobasidum pullulans cố định [5], [9], [10]. 1.1.1. Định nghĩa, cấu tạo, nguồn gốc của FOS FOS là các oligomer fructose với các nhóm fructosyl được gắn với saccharose ở vị trí β-2.1, thường được mô tả bằng công thức GFn, trong đó G chỉ nhóm glucosyl và F chỉ nhóm fructosyl, n là số nhóm fructosyl [11]. Các dạng phổ biến nhất của FOS là 1-kestose (GF2), nystose (GF3) và 1F-fructofuranosyl nystose (GF4) [12]. FOS có nhiều trong các loại thực vật như hành, măng tây, lúa mì, lúa mạch, artichoke Jerusalem [13], chuối, mận, hành, hẹ tây, củ chicory [14]. Quá trình trích ly FOS từ những nguồn này ở quy mô công nghiệp không có tính kinh tế do nồng độ FOS trong nguyên liệu rất thấp. Vì lý do đó, FOS thương mại được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp từ sacharose hoặc thủy phân từ inulin [15]. Hình 1.2. Cấu trúc của một số phân tử FOS [16] 5 1.1.2. Vai trò và ứng dụng của FOS Một số tác giả khi nghiên cứu về tính chất hóa lý của FOS đều đưa ra kết luận chung là FOS có nhiều tính chất hóa lý tương tự saccharose như độ hòa tan, độ đông đặc, nhiệt độ sôi và các thông số về quá trình kết tinh [9], [17]. Tuy vậy, khác với saccharose, FOS mang nhiều đặc tính sinh học ưu việt hơn. Đây chính là đặc điểm khiến các nhà thực phẩm chú ý và tập trung khai thác loại đường này. FOS có khả năng gây sâu răng thấp hơn so với saccharose, do vi khuẩn Streptococcus mutans trong khoang miệng gây sâu răng không sử dụng được FOS [18]. Ngoài ra Ikeda T. (1990) [2] còn nghiên cứu cho thấy FOS không chỉ có khả năng phòng mà còn có khả năng chữa bệnh sâu răng. Vì thế ngày nay nhiều nơi trên thế giới dùng FOS thay thế cho đường saccharose trong thành phần thức ăn hoặc trong chế biến bánh kẹo, đặc biệt là bánh kẹo cho trẻ em để phòng bệnh sâu răng. FOS không bị tiêu hóa ở ruột non nên đến được ruột già một cách nguyên vẹn. Tại đây FOS bị lên men bởi hệ vi sinh vật trong ruột tạo thành những acid béo mạch ngắn (SCFA) như acid acetic, acid propionic, acid butyric... làm cho FOS có tác dụng giống chất xơ: giảm táo bón, cải thiện tính chất của phân, cải thiện mỡ máu và ngăn chặn sự tổng hợp các chất thối rữa trong ruột. Mặt khác, việc sử dụng FOS còn thúc đẩy quá trình hấp thu Ca, Mg, không làm tăng lượng đường trong máu do FOS không hoặc rất ít bị thủy phân bởi hệ enzyme đường ruột. Vì vậy FOS thích hợp cho người già, phụ nữ và người bị bệnh tiểu đường [3], [4]. Tính an toàn của FOS đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu khác nhau (Hidaka và cộng sự, 1986; Clevenger và cộng sự, 1988; Tokunaga và cộng sự, 1989; Kolbye, 1992; Coussement, 1999) với kết quả là FOS không có nguy cơ gây ung thư. Nhiều nghiên cứu tiến hành trên động vật và người cho thấy có rất ít tác dụng phụ liên quan tới việc sử dụng FOS [19]. Các kết quả nghiên cứu độc tính đã chứng tỏ FOS không gây đột biến hoặc sinh quái thai và không tạo ra tác dụng phụ nghiêm trọng hoặc khả năng gây ung thư ở động vật sau khi hấp thu với liều lượng lên tới 15% trong chế độ ăn [20]. 6