Tài liệu Nghiên cứu quá trình tinh sạch fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano

FOS là một trong những loại prebiotic được nghiên cứu nhiều nhất do có có tác dụng tăng cường số vi khuẩn Bifido trong ruột, là các oligomer fructose trong đó các nhóm fructosyl được gắn với saccharide ở vị trí β-2,1 với 3 thành phần phổ biến là 1kestose, nystose và 1F-fructofuranosylnystose. FOS có thể thu nhận từ các loại thực vật hoặc tổng hợp bằng phương pháp enzyme. Nồng độ FOS % (w/w) trong sản phẩm thấp do glucose, sản phẩm phụ của phản ứng, ức chế hoạt tính của enzyme, làm giảm chất lượng và khối lượng FOS, hàm lượng FOS tối đa chỉ khoảng 60%. Để nâng cao hàm lượng FOS, có thể áp dụng các quá trình tinh sạch, lọc nano là một phương pháp có nhiều tiềm năng để ứng dụng trong lĩnh vực này. Nghiên cứu này tập trung giải quyết các vấn đề sau: ¾ Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đối với hoạt động của membrane ¾ Tối ưu hai thông số được dùng để đánh giá hoạt động của membrane là độ phân riêng chất tan và tốc độ dòng ¾ Khảo sát các quá trình diafiltration với các tỷ lệ lưu lượng nước bổ sung/lưu lượng permeate khác nhau để nâng cao độ tinh sạch của sản phẩm Kết quả đạt được như sau: 1) Xác định được quy luật ảnh hưởng của các yếu tố đến hoạt động của membrane và khoảng thích hợp của các yếu tố 2) Quá trình tối ưu cho kết quả như sau: a) Membrane DS-5-DL: ¾ Lưu lượng nhập liệu: 6 lít/phút. ¾ Áp suất nhập liệu: 25 bar Ở điều kiện tối ưu: ¾ Độ phân riêng monosaccharide: 78,05% ¾ Tốc độ dòng 127 L/m2.giờ b) Membrane G5 (DS-GE): ¾ Lưu lượng nhập liệu: 3 lít/phút ¾ Áp suất nhập liệu: 20 bar Ở điều kiện tối ưu ¾ Độ phân riêng monosaccharide: 22,11% ¾ Độ phân riêng saccharose: 51,37%, ¾ Độ phân riêng FOS: 81,93% ¾ Tốc độ dòng: 53,66 l/m2.giờ 3) Xác định được sự thay đổi nồng độ FOS (%, w/w) và hiệu suất thu hồi FOS khi áp dụng các quá trình diafiltration khác nhau. Đưa ra được một số giới thiệu và khuyến cáo khi lựa chọn các quá trình. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................1 Chương 1: TỔNG QUAN I. FRUCTOOLIGOSACCHARIDE (FOS) ................................................2 1. Định nghĩa .................................................................................................2 1.1. Prebiotic ..................................................................................................2 1.2. FOS...........................................................................................................3 2. FOS..............................................................................................................3 2.1. Nguồn gốc ...............................................................................................3 2.2. Công dụng ................................................................................................4 2.3.Tính chất....................................................................................................5 2.4. Ứng dụng ..................................................................................................6 2.5. Tình hình sản xuất ..................................................................................7 3. Sản xuất FOS cao độ..................................................................................9 3.1. Phương pháp enzyme ..............................................................................9 3.2. Phương pháp membrane .........................................................................10 3.3. Phương pháp lên men..............................................................................11 3.4. Các phương pháp khác ............................................................................12 II. LỌC NANO ........................................................................... 14 1. Định nghĩa...................................................................................................14 1.1. Thẩm thấu ngược ....................................................................................14 1.2. Membrane................................................................................................14 1.3. Động lực của quá trình lọc membrane..................................................16 1.4. Quá trình lọc cross-flow .........................................................................16 1.5. Các quá trình phân riêng bằng membrane ..........................................17 1.5.1. Lọc thẩm thấu ngược (RO) .................................................................17 1.5.2. Lọc nano (NF).......................................................................................17 1.5.3. Siêu lọc (UF) .........................................................................................18 1.5.4. Vi lọc (MF)............................................................................................18 1.6. Quá trình diafiltration ............................................................................19 2. Membrane ..................................................................................................22 2.1. Phân loại membrane ...............................................................................22 2.1.1. Membrane đối xứng..............................................................................22 2.1.2. Membrane không đối xứng ................................................................23 2.2. Vật liệu chế tạo membrane.....................................................................26 3. Các dạng thiết bị membrane.....................................................................29 3.1. Thiết bị sợi ...............................................................................................29 3.2. Thiết bị dạng ống.....................................................................................30 3.3. Thiết bị bảng/tấm ....................................................................................31 3.4. Thiết bị cuộn xoắn...................................................................................32 4. Ứng dụng của các quá trình membrane ..................................................35 4.1. MF ............................................................................................................35 4.2. UF .............................................................................................................36 4.3. RO.............................................................................................................37 4.4. NF .............................................................................................................38 5. Hiện tượng tập trung nồng độ và hiện tượng fouling.............................38 5.1. Hiện tượng tập trung nồng độ.................................................................38 5.2. Hiện tượng fouling ..................................................................................39 6. Lý thuyết của quá trình lọc membrane....................................................42 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU I. THIẾT BỊ ...................................................................................................44 1. Membrane...................................................................................................44 2. Hệ thống NF................................................................................................44 II. NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT ..........................................................46 1. Nguyên liệu .................................................................................................46 1.1. FOS ....................................................................................................46 1.2. Nước RO ..................................................................................................46 2. Hóa chất ....................................................................................................46 III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................................................47 1. Khảo sát sơ bộ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc nano ...............48 2. Tối ưu các thông số đánh giá quá trình ...................................................49 3. Tối ưu đa mục tiêu ....................................................................................50 4. Diafiltration ................................................................................................50 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN I. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ............................53 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................54 2. Ảnh hưởng của nồng độ.............................................................................57 3. Ảnh hưởng của lưu lượng .........................................................................60 4. Ảnh hưởng của áp suất..............................................................................63 II. TỐI ƯU QUÁ TRÌNH NF........................................................................66 III. DIAFILTRATION ..................................................................................67 1. Membrane G5.............................................................................................67 1.1. CVD ....................................................................................................67 1.2. VVD ....................................................................................................69 1.2.1. Lưu lượng nước bổ sung: lưu lượng permeate 0,95:1 .......................69 1.2.2. Lưu lượng nước bổ sung: lưu lượng permeate 0,9:1..........................70 1.2.3.. Lưu lượng nước bổ sung: lưu lượng permeate 0,85:1.......................71 2. Membrane DS-5-DL ..................................................................................74 2.1. CVD ....................................................................................................74 2.2. VVD ....................................................................................................75 2.2.1. Lưu lượng nước bổ sung: lưu lượng permeate 0,95:1........................75 2.2.2. Lưu lượng nước bổ sung: lưu lượng permeate 0,90:1........................76 KẾT LUẬN ....................................................................................................80 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Thành phần FOS của một số loại trái cây ..........................................4 Bảng 2. Đặc tính của FOS so sánh với một số loại đường khác .....................6 Bảng 3. Phân loại membrane theo kích thước lỗ.............................................20 Bảng 4. So sánh hai phương thức diafiltration ................................................22 Bảng 5. Lựa chọn membrane...........................................................................29 Bảng 6 Các vật liệu ứng dụng trong các membrane khác nhau ......................29 Bảng 7. Tác nhân gây fouling quan sát trên 150 bộ lọc membrane trên thế giới ....................................................................................42 Bảng 8. Các loại membrane dùng trong nghiên cứu .......................................45 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Cấu trúc của một số phân tử FOS .....................................................3 Hình 2. Động học quá trình thủy phân của một số oligosaccharide ở 40ºC ...6 Hình 3. Quá trình tổng hợp FOS .....................................................................8 Hình 4. Sơ đồ hệ thống phức hợp sản xuất FOS cao độ .................................11 Hình 5. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm với bình phản ứng membrane .................11 Hình 6. Hàm lượng FOS và những carbohydrate khác trong quá trình tổng hợp FOS có cấy nấm men P.pastoris.......................................................12 Hình 7. Lưu đồ quá trình sản xuất FOS ở quy mô công nghiệp .....................14 Hình 8. Nguyên tắc của quá trình thẩm thấu và thẩm thấu ngược..................15 Hình 9. Sơ đồ quá trình phân riêng bằng membrane ......................................16 Hình 10. Quá trình lọc cross-flow...................................................................18 Hình 11. Các quá trình phân riêng bằng membrane........................................20 Hình 12. Quá trình diafiltration gián đoạn (trái) và liên tục (phải).................21 Hình 13. Quá trình diafiltration dòng ngược ..................................................22 Hình 14. Một số loại membrane đối xứng ......................................................23 Hình 15. Cấu trúc membrane (a) Membrane vi xốp đối xứng (b) Membrane vi xốp bất đối xứng ........................................................................23 Hình 16. Cơ chế vận chuyển các chất qua membrane ....................................24 Hình 17. Membrane không đối xứng ..............................................................25 Hình 18. Sơ đồ membrane composite .............................................................25 Hình 19. Membrane composite trên giá đỡ vi xốp..........................................26 Hình 20. Các đặc tính của membrane composite ............................................27 Hình 21. Cấu trúc membrane ceramic.............................................................28 Hình 22. Mặt cắt ngang của thiết bị membrane ceramic.................................28 Hình 23. Mặt cắt ngang của sợi rỗng ..............................................................31 Hình 24. Thiết bị dạng ống..............................................................................32 Hình 25. Thiết bị lọc tấm phẳng......................................................................33 Hình 26. Bộ lọc cuộn xoắn..............................................................................34 Hình 27. Bộ lọc cuộn xoắn trong vỏ lọc chịu áp.............................................35 Hình 28. Các hình dạng cơ bản của đệm dạng mạng lưới ...............................35 Hình 29. Đệm dạng bậc thang.........................................................................36 Hình 30. Động học chất lỏng trong mạng lưới đệm........................................36 Hình 31. Quá trình cô đặc nước quả bằng membrane.....................................39 Hình 32. Hiện tượng tập trung nồng độ ..........................................................40 Hình 33. Ảnh hưởng của hiện tượng tập trung nồng độ tới tốc độ dòng ........40 Hình 34. Các cơ chế gây fouling ở membrane................................................41 Hình 35. Hiện tượng fouling do protein trên bề mặt membrane MF sau khi lọc sữa gầy ở áp suất 300 psi trong 30 phú...................................41 Hình 36. Sơ đồ hệ thống lọc nano ...................................................................45 Hình 37. Sơ đồ hệ thống lọc nano có tiến hành diafiltration ..........................51 Hình 38. Sự thay đổi điện tích của membrane theo pH ..................................53 Hình 39. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ phân riêng monosaccharide (DS-5-DL).............................................................................54 Hình 40. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ dòng (DS-5-DL) .......................55 Hình 41. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ phân riêng monosaccharide, saccharose và FOS (G5)...................................................................................55 Hình 43. Ảnh hưởng của nồng độ tới độ phân riêng monosaccharide (DS-5-DL).............................................................................57 Hình 44. Ảnh hưởng của nồng độ nhập liệu tới tốc độ dòng (DS-5-DL) .......58 Hình 45. Ảnh hưởng của nồng độ tới độ phân riêng monosaccharide, saccharose và FOS (G5)...................................................................................58 Hình 46. Ảnh hưởng của nồng độ tới tốc độ dòng (G5) .................................59 Hình 47. Ảnh hưởng của lưu lượng tới độ phân riêng monosaccharide (DS-5-DL).............................................................................60 Hình 48. Ảnh hưởng của lưu lượng đến tốc độ dòng (DS-5-DL) ...................60 Hình 49. Ảnh hưởng của lưu lượng nhập liệu tới độ phân riêng (G5)............61 Hình 50. Ảnh hưởng của lưu lượng tới tốc độ dòng (G5)...............................61 Hình 51. Ảnh hưởng của áp suất tới độ phân riêng monosaccharide (DS-5-DL).............................................................................63 Hình 52. Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ dòng permeate (DS-5-DL)........63 Hình 53. Ảnh hưởng của áp suất tới độ phân riêng (G5) ................................64 Hình 54. Ảnh hưởng của áp suất tới tốc độ dòng permeate (G5) ...................64 Hình 55. Sự thay đổi nồng độ chất tan theo số bước diafiltration (G5, CVD)....................................................................................67 Hình 56. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi FOS theo nồng độ FOS (G5, CVD) ....................................................................................................68 Hình 57. Sự thay đổi nồng độ các chất theo số bước diafiltration (G5, VVD 0,95:1) ............................................................................................69 Hình 58. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ FOS G5, VVD 0,95:1)..............................................................................................69 Hình 59. Sự thay đổi nồng độ các chất theo số bước diafiltration (G5, VCD 0,9:1)...............................................................................................70 Hình 60. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ FOS (G5, VCD 0,9:1)...............................................................................................60 Hình 61. Sự thay đổi nồng độ các chất theo số bước diafiltration (G5, VCD 0,85:1).............................................................................................71 Hình 62. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ FOS (G5, VCD 0,85:1).............................................................................................71 Hình 63. Sự thay đổi nồng độ FOS theo số bước diafiltration (so sánh giữa các phương thức) .......................................................................72 Hình 64. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo số bước diafiltration (so sánh giữa các phương thức, G5) ................................................................72 Hình 65. Sự thay đổi nồng độ các chất theo số bước diafiltration (DS-5-DL) (CVD)........................................................................73 Hình 66. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ FOS (DS-5-DL, CVD) .............................................................................................74 Hình 67. Sự thay đổi nồng độ các chất theo số bước diafiltration (DS-5-DL, VVD 0,95:1) ..................................................................................75 Hình 68. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ FOS (DS-5-DL, VVD 0,95:1)..........................................................................75 Hình 69. Sự thay đổi nồng độ các đường theo số bước diafiltration (DS-5-DL, VVD 0,90:1) ..................................................................................76 Hình 70. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ FOS (DS-5-DL, VCD 0,9:1) ....................................................................................76 Hình 71. Thay đổi nồng độ FOS theo số bước diafiltration (DS-5-DL).........77 Hình 72. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo số bước diafiltration (so sánh các phương thức) (DS-5-DL).............................................................78 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT FOS GF2 GF3 GF4 MF NF RO UF w/v w/w Fructooligosaccharide 1-kestose nysose 1F-fructosylnystose Vi lọc (Microfiltration) Lọc nano (Nanofiltration) Lọc thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis) Siêu lọc (Ultrafiltration) weight/volume (khối lượng/thể tích) weight/weight (khối lượng/khối lượng) 1 MỞ ĐẦU Từ khoảng giữa thế kỷ trước, khi membrane tổng hợp đầu tiên được chế tạo, các ứng dụng của quá trình membrane về mặt kỹ thuật và thương mại đã bắt đầu xuất hiện. Ngày nay, sau 50 năm, membrane và các quá trình membrane thực sự trở thành công cụ có giá trị trong phân riêng các hỗn hợp phân tử. Membrane chỉ là một khái niệm đơn lẻ nhưng bao hàm rất nhiều loại cấu trúc và vật liệu với các đặc tính khác nhau, tương tự là các quá trình membrane. Tuy nhiên, tất cả membrane và các quá trình membrane có một đặc điểm chung là chúng phân riêng một hỗn hợp phân tử hiệu quả và kinh tế ở điều kiện nhiệt độ phòng, không phát sinh sản phẩm phụ độc hại hoặc nguy hiểm Tuy vẫn còn một số nhược điểm nhưng trên thế giới membrane đã được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như công nghệ thực phẩm, công nghệ xử lý nước và nước thải, công nghệ dược phẩm,…..Ở Việt Nam, kỹ thuật membrane vẫn còn tương đối mới, chưa có nhiều ứng dụng, chủ yếu trong xử lý nước và nước thải. Trên thị trường mặt hàng membrane vẫn chưa có tính đa dạng và sẵn sàng. Fructooligosaccharide (FOS) được ứng dụng trong rất nhiều loại thực phẩm. Tuy được sản xuất từ loại nguyên liệu rẻ tiền và phổ biến là đường saccharose nhưng hiện nay hầu hết nhà máy thực phẩm ở Việt Nam vẫn phải nhập FOS hoặc oligofrucrose từ các công ty nước ngoài như Orafti (Bỉ), Meioligo (Nhật),…..Cần phải có sự đầu tư nghiên cứu và sản xuất fructooligosaccharide (FOS) ở quy mô công nghiệp nhằm đáp ứng nhu cầu của các công ty trong đó cần quan tâm nhiều đến phương pháp tinh sạch, nhất là tinh sạch bằng phương pháp membrane cụ thể là lọc nano (NF). -------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano 2 I. FRUCTOOLIGOSACCHARIDE (FOS) 1. Định nghĩa 1.1. Prebiotic Prebiotic là carbohydrate mạch ngắn có thể làm thay đổi thành phần hoặc sự chuyển hóa của hệ vi sinh vật trong ruột theo một cách đặc trưng [43]. Các chỉ tiêu để một chất được phân loại là prebiotic bao gồm: ¾ Không bị hấp thu ở tuyến tiêu hóa trên ¾ Bị lên men bởi vi sinh vật trong ruột ¾ Kích thích chọn lọc sự phát triển và hoạt tính của một số vi khuẩn có khả năng cải thiện sức khỏe [17]. Oligosaccharide đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh học bao gồm khả năng nhận biết giữa các tế bào, đáp ứng miễn dịch, sự thụ tinh và dinh dưỡng [61]. Ngoài ra, oligosaccharides còn là thành phần chức năng có thể cải thiện chất lượng của nhiều loại thực phẩm. Các loại oligosaccharide quan trọng là fructooligosaccharide (FOS), galactooligosaccharide, isomaltooligosaccharide (IMO), inulinooligosaccharide and oligosaccharides đậu nành [12] Ở Mỹ, inulin và FOS là những sản phẩm dẫn đầu thị trường, tiếp sau đó là galactooligosaccharide. Ở Nhật, ngoài những loại trên còn có isomaltooligosaccharide, oligosaccharide đậu nành, xylooligosaccharide, gentiooligosaccharide và lactosucrose [46]. Có ba quá trình sản xuất prebiotic oligosaccharide như sau: ¾ Chiết xuất oligosaccharide tự nhiên từ thực vật; ¾ Thủy phân polysaccharide; ¾ Tổng hợp bằng phương pháp enzyme với xúc tác là enzyme hydrolase và/hoặc glycosyl transferase thu nhận từ thực vật hoặc vi sinh vật. Hầu hết các prebiotic được tổng hợp bằng phương pháp enzyme. Như xylooligosaccharide (XOS) và isomaltooligosaccharide (IMO) được sản xuất từ quá trình thủy phân polysaccharide, FOS, lactosucrose và GOS từ quá trình chuyển nhóm; -------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano 3 gentiooligosaccharide được sản xuất bằng các phản ứng ngưng tụ, inulin và oligosaccharide đậu nành được chiết xuất từ các nguồn tự nhiên và lactulose được tổng hợp hóa học bằng quá trình đồng phân hóa [18]. 1.2. FOS FOS là một trong những loại prebiotic được nghiên cứu nhiều nhất do có khả năng chịu được acid dạ dày và enzyme tuyến tụy, có tác dụng tăng cường số vi khuẩn Bifido trong ruột. Ở Nhật Bản, FOS được xem là thực phẩm và có mặt ở hơn 500 loại sản phẩm khác nhau [1]. Đây là chất tạo ngọt năng lượng thấp, không được hấp thu ở tuyến tiêu hóa trên, tuy nhiên, được sử dụng chọn lọc bởi vi khuẩn Bifido, nghĩa là có các đặc tính prebiotic [44]. FOS là các oligomer fructose trong đó các nhóm fructosyl được gắn với saccharide ở vị trí β-2,1, thường được mô tả bằng công thức GFn, G chỉ nhóm glucosyl và F chỉ nhóm fructosyl, n là số nhóm fructosyl [32]. Phổ biến nhất là 1-kestose (GF2), nystose (GF3) và 1F-fructofuranosyl nystose (GF4) [13, 44]. Hình 1. Cấu trúc của một số phân tử FOS [44] 2. FOS 2.1. Nguồn gốc -------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano 4 FOS có trong tự nhiên ở nhiều loại thực vật như hành, măng tây, lúa mì, lúa mạch, artichoke Jerusalem [8], chuối, mận, hành, hẹ tây và củ chicory [35], gạo, củ cải đường, lúa mì. Quá trình trích ly FOS từ những loại thực vật này ở quy mô công nghiệp không có tính kinh tế do nồng độ rất thấp. Vì lý do này, FOS thương mại được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hoặc thủy phân [11]. FOS có thể được sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguồn nguyên liệu saccharose, với xúc tác là enzyme thu nhận từ một số loại nấm mốc như Aureobasidium sp. hoặc Aspergillus niger [35]. Bảng 1. Thành phần FOS của một số loại trái cây [13] mg/g (tính trên chất khô) GF2 GF3 GF4 Tổng Táo đỏ 0,6 0,0 0,0 0,6 Táo vàng 0,2 0,0 0,0 0,2 Chuối chín 8,6 0,0 2,3 10,9 Blackberry 0,0 0,0 1,2 1,2 Dưa hấu 2,8 0,0 0,1 2,9 Mận đỏ 1,8 0,2 0,0 2,0 Đào 3,5 0,0 0,0 3,5 Cam 1,7 0,0 1,1 2,8 Nho đen 0,5 0,0 0,6 1,1 Dưa lê 0,3 0,0 0,9 1,2 2.2. Công dụng FOS có tác dụng cải thiện mức lipid (cholesterol và triglyceride), sự hấp thụ calcium, bệnh táo bón và nhiều quá trình chảy mủ, giảm huyết áp [44, 80]. FOS có vị trí quan trọng do có các đặc điểm chức năng như mức năng lượng thấp, không được sử dụng bởi vi khuẩn gây sâu răng và là yếu tố tăng trưởng của các vi sinh vật trong ruột [12, 80]. Các nghiên cứu được tiến hành ở Nhật cho thấy rằng việc tiêu thụ FOS làm tăng mật độ Bifidobacteria và những vi sinh vật có lợi khác ngay cả khi không có -------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano 5 probiotic trong chế độ ăn. Liều lượng FOS cần cho người trưởng thành là 8g/ngày [59]. Do kết quả của quá trình chuyển hóa FOS bởi vi khuẩn lên men, acid béo mạch ngắn và acid lactic được tạo thành, làm giảm pH của ruột già, tạo một môi trường lý tưởng cho sự phát triển của vi khuẩn Bifido và làm giảm sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh. Hàm lượng chất chuyển hóa tạo ra bởi vi khuẩn gây thối rữa cũng giảm sau khi sử dụng FOS [62]. FOS được lên men mạnh trong ruột già, tạo môi trường thích hợp cho sự hấp thu khoáng chất và có ảnh hưởng tới sự khoáng hóa của xương [42], giúp tăng hấp thu calcium và magnesium trong ruột [57]. FOS với mức polymer thấp có các đặc tính chữa trị tốt hơn các loại có mức độ polymer hóa cao [57]. Do có độ ngọt thấp, chỉ khoảng 1/3 độ ngọt của saccharose, FOS thích hợp cho nhiều loại loại thực phẩm phải hạn chế hàm lượng saccharose [80] và được dùng trong công nghiệp dược phẩm như một chất tạo ngọt chức năng [57]. 2.3.Tính chất FOS có độ ngọt tương tự saccharose, một chất tạo ngọt truyền thống [12], khả năng giữ nước cao hơn saccharose, tương tự sorbitol. Là đường không khử, FOS không tham gia phản ứng Maillard, chúng ổn định ở pH > 3 và nhiệt độ lên tới 140ºC [8, 10]. Ở dạng lỏng, FOS mạch ngắn là chất lỏng trong, không màu hoặc màu vàng như sirô, có mùi trái cây và vị ngọt. Ở dạng bột, FOS có màu trắng tới vàng nhạt, mùi trái cây và vị ngọt. FOS hòa tan trong nước [65]. Bảng 2. Đặc tính của FOS so sánh với một số loại đường khác [8]. Đường Độ ngọt Độ ổn định Độ nhớt Tính hút ẩm (saccharose = 1) Nhiệt độ pH Sorbitol 0,70 < 160ºC 2- 10 Thấp Cao Xylitol 0,90 < 160ºC 2- 10 Rất thấp Cao Mannitol 0,50 < 160ºC 2- 10 Thấp Thấp -------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano 6 Erythritol 0,65 < 160ºC 2- 10 Rất thấp Thấp Maltitol 0,75 < 160ºC 2- 10 Cao Trung bình Isomalt 0,60 < 160ºC 2- 10 Cao Thấp Lactitol 0,40 < 160ºC 2- 10 Rất thấp Trung bình Maltidex 0,75 < 160ºC 2- 10 Cao Trung bình FOS 0,30 < 160ºC 2- 10 = sucrose Trung bình FOS bị thủy phân theo mô hình bậc 1, mức độ thủy phân giảm khi pH tăng và tăng theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ 120ºC, FOS bị thủy phân nhanh và hoàn toàn. FOS bị thủy phân dễ dàng hơn ở pH acid so với pH trung tính hoặc bazơ. Hình 2. Động học quá trình thủy phân của một số oligosaccharide ở 40ºC. (a) 1kestose, (b) nystose, (c) fructofuranosylnystose ở 80ºC (●), 90C (■), 110ºC (×) và 120ºC (•) [5]. 2.4. Ứng dụng FOS và inulin được sử dụng trong công nghệ thực phẩm ngày càng nhiều trong thời gian gần đây do chúng có tác dụng như chất xơ và có thể dùng như carbohydrate hoặc thay thế chất béo do có khả năng sinh năng lượng thấp [9, 1]. FOS đuợc sử dụng trong nhiều loại thực phẩm như nước giải khát, các sản phẩm sữa, bánh kẹo, mứt, thức ăn gia súc [44] và các sản phẩm với tiêu chuẩn phân -------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano 7 tích [5]. Trong mứt: FOS có thể được dùng như chất tạo ngọt, sản phẩm có mức năng lượng giảm khi so sánh với saccharose. Các sản phẩm có các đặc điểm cảm quan tương tự nhau, sản phẩm bổ sung FOS có độ ngọt thấp hơn và cấu trúc mềm hơn. Trong kem, FOS có thể được dùng với inulin để thay thế đường, làm giảm hàm lượng chất béo và tạo cảm giác ngon miệng. Sử dụng FOS có thể làm giảm đáng kể mức năng lượng trong kẹo cứng, gum và kẹo dẻo [58]. Ở Nhật Bản, FOS được dùng phổ biến như chất tạo ngọt, chất điều vị, chất độn và chất giữ ẩm, bổ sung vào các sản phẩm thực phẩm như bánh quy, bánh ngọt, bánh mì, kẹo, các sản phẩm sữa và một số loại nước giải khát như một thành phần thay thế saccharose năng lượng thấp, ngoài ra còn đuợc bổ sung vào một số loại thực phẩm chức năng để tăng cường sự phát triển của vi khuẩn có ích trong tuyến tiêu hóa [65]. 2.5. Tình hình sản xuất FOS được tổng hợp bằng phương pháp lên men với xúc tác là các vi sinh vật như Aspergillus niger, Aureobasidium pullulans và Fusarium oxysporum [12]. Ngoài ra có thể dùng phương pháp enzyme, các enyme xúc tác quá trình tổng hợp FOS là βfructofuranosidase, còn gọi là invertase (EC 3.2.1.26) và fructosyltransferase (E.2.4.1.9) [16], có ở thực vật và vi sinh vật. Tuy nhiên, enzyme của thực vật không hiệu quả cho việc sản xuất ở quy mô lớn, do đó hiện nay chủ yếu enzyme của vi sinh vật được sử dụng. Những enzyme này ổn định nhiệt, có hoạt tính tối ưu ở 50 – 60ºC và pH 5,0 – 6,5. Enyzme β-fructofuranosidase (ở dạng tự do hoặc cố định) được thu nhận từ Aspergillus niger, Aureobasidium pullulans [44] và fructosyltransferase (EC 2.4.1.9) thu nhận từ nhiều loại vi sinh vật như Aspergillus foetidus, Bacillus subtilis, Bacillus macerans, Streptococcus salivarius Aureobasidium pullulans [12], Aspergillus niger, Aspergillus japonicus, Aureobasidium pullulans, and Fusarium oxysporum [59], các chủng Penicillium [31]. Các enzyme này có hoạt tính chuyển nhóm fructosyl. Saccharose đóng vai trò chất cho và chất nhận fructose. Phản ứng đầu tiên giữa hai phân tử saccharose tạo thành 1-kestose và glucose. Cùng enzyme đó tiếp tục tác -------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano 8 động trên kestose để tạo thành nystose và trên nystose tạo fructosylnystose [8]. Sản phẩm của phản ứng bao gồm 25 – 30% 1-kestose, 10 – 15% nystose và 5 – 10% 1Ffructofuranosyl nystose và 25 – 30% glucose được giải phóng (sản phẩm phụ). Sự tổng hợp FOS (GFn) từ saccharose (GF) là một chuỗi các phản ứng không đối xứng liên tiếp. Saccharose (GF) + Saccharose (GF) → 1-kestose (GF2) + glucose (G) 1-kestose (GF2) + 1-kestose (GF2) → nystose (GF3) + saccharose (GF) Nói chung GFn + GFn → GFn-1 + GFn+1 (n = 1 – 3) [31]. Hình 3. Quá trình tổng hợp FOS [58] FOS được sản xuất theo phương pháp gián đoạn như sau: enzyme được thêm vào dung dịch 60 – 60% saccharose ở pH 5,5 – 6,0. Sau khi khuấy trộn 4 – 20 giờ ở 50 – 60ºC, hỗn hợp phản ứng chứa FOS, glucose và saccharose dư được gia nhiệt tới 90ºC trong 30 phút để bất hoạt enzyme. Hỗn hợp phản ứng được làm nguội xuống dưới 50ºC, lọc trong và khử ion bằng cột trao đổi ion [51]. Hiệu suất lý thuyết của quá trình tổng hợp là 75% nếu chỉ tạo thành FOS. Tuy nhiên, hiệu suất thực tế thấp hơn nhiều, khoảng 60% khi dùng enzyme từ Asp.niger ATCC 20611 và 53 – 59% với enzyme từ Aureobasidium spp. Nguyên nhân là do enzyme xúc tác bị ức chế bởi glucose được giải phóng ra [79]. Tỷ lệ FOS và saccharose dư trong sản phẩm là 55 – 60% và 10 – 12%. FOS cao độ được sản xuất bằng cách tách glucose và saccharose dư, dùng phương pháp sắc ký [51]. -------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano 9 Meiji Seika Co. là công ty đầu tiên thành công trong sản xuất FOS thương mại với xúc tác là A.niger vào năm 1984. Sản phẩm được đưa ra thị trường Nhật Bản với tên gọi Meioligo. Công ty này sau đó thiết lập một liên doanh với Beghin-Say của Pháp và sản xuất FOS với tên thương mại Actilight. Công ty Cheil Foods & Chemical Co. của Hàn Quốc cũng thành công trong sản xuất FOS ở quy mô công nghiệp dùng các tế bào A. pullulans cố định [71]. 3. Sản xuất FOS cao độ Hiệu quả và độ tinh sạch của FOS tổng hợp từ saccharose do xúc tác của enzyme β-fructofuranosidase rất thấp. Glucose, sản phẩm phụ của phản ứng, ức chế hoạt tính của enzyme, làm giảm chất lượng và khối lượng FOS, hàm lượng FOS tối đa là 60%. Có một số cách để sản xuất FOS cao độ: tách FOS khỏi mono- và disaccharide bằng phương pháp sắc ký hoặc chuyển hóa mono- và disaccharide dưới tác dụng xúc tác của enzyme glucose oxidase. Các cách này có thể cải thiện phần nào chất lượng FOS nhưng có nhược điểm là chi phí cao [78]. 3.1. Phương pháp enzyme Phản ứng tổng hợp FOS cao độ được tiến hành với sự có mặt của enzyme glucose isomerase hoặc glucose oxidase. Tuy nhiên, việc sử dụng glucose isomerase không hiệu quả (hiệu suất tổng hợp FOS chỉ khoảng 69%), trong khi đó với glucose oxidase, có thể tổng hợp FOS với hàm lượng lên tới 98% [44, 79]. Một phương pháp sản xuất FOS cao độ có nhiều triển vọng là chuyển mono- và disaccharide thành dạng khác để có thể tách dễ dàng ra khỏi FOS. Glucose được chuyển hóa thành acid gluconic dưới tác dụng của enzyme glucose oxidase, và được tách ra khỏi các đường trung tính bằng phương pháp trao đổi ion [27], hoặc kết tủa bằng calcium carbonate [63]. Phản ứng tổng hợp có thể tiếp diễn khi glucose được tách ra đồng thời, hàm lượng FOS có thể đạt 90% [27] hoặc 98%. Với phương pháp này có thể dễ dàng được mở rộng quy mô của hệ thống và thay thế quá trình sản xuất FOS thương mại [80, 64]. Tuy nhiên nó có nhược điểm là glucose oxidase đắt tiền và dễ bị mất hoạt tính bởi nhiệt [63]. -------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano