TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ SINH học THỰC PHẨM đề tài ACID hữu cơ (ACID CITRIC)

Công nghệ sản xuất acid citric bằng phương pháp lên men chìm sử dụng nấm mốc Aspergillus niger...7 4... Khái niệm Acid citric là một acid hữu cơ acid citric một thành phần tự nhiên và ch

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM

Đề tài:

ACID HỮU CƠ (ACID CITRIC)

GVHD: ĐỖ THỊ HIỀN

SINH VIÊN THỰC HIỆN: NHÓM 5

Trần Ngọc Trang

Nguyễn Ngọc Anh Thư

Trần Ngọc Tú Trinh

Trần Thị Thanh Trúc

TP.HCM, tháng 3 năm 2021

2008181188 2008181171 2008181192 2008180171

MỤC LỤC

1 TỔNG QUAN 1

1.1 Acid citric 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Tính chất vật lý và hóa học 2

1.1.3 Lịch sử phát triển 3

1.2 Aspergillus niger 4

1.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lên men acid citric 5

2 CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI NGUYÊN LIỆU LÊN MEN ACID CITRIC 6

2.1 Mật rỉ 6

2.2 Tinh bột sắn 6

2.3 Ngô 6

3 QUY TRÌNH SẢN XUẤT ACID CITRIC 6

3.1 Các phương pháp sản xuất acid citric 7

3.2 Công nghệ sản xuất acid citric bằng phương pháp lên men chìm sử dụng nấm mốc Aspergillus niger 7

4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ACID CITRIC 10

4.1 Môi trường 10

4.2 pH môi trường 11

4.3 Sự thoáng khí 11

4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ 11

5 ỨNG DỤNG 11

5.1 Trong công nghiệp thực phẩm 12

5.2 Trong công việc khử trùng 12

5.3 Trong việc làm đẹp 12

5.4 Trong thuốc và thực phẩm chức năng 13

6 CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ ACID CITRIC 13

7 KẾT LUẬN 14

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

DANH MỤC HÌNH ẢNH

•

Hình 1: Các sản phẩm acid citric 2

Hình 2: Công thức cấu tạo 2

Hình 3: Cấu hình không gian 2

Hình 4: Aspergillus niger 5

Hình 5: Sơ đồ sản xuất acid citric 8

NHÓM 5 1

1 TỔNG QUAN

Acid citric là acid hữu cơ quan trọng nhất được sản xuất và sử dụng rộng rãi trong thực phẩm và ngành công nghiệp dược phẩm Nó được sản xuất chủ yếu bằng

cách lên men chìm sử dụng Aspergillus niger hoặc Candida sp từ các nguồn

carbohydrate khác nhau, chẳng hạn như rỉ mật và môi trường làm từ tinh bột Tuy nhiên, quá trình lên men khác kỹ thuật, ví dụ: quá trình lên men ở trạng thái rắn và lên men bề mặt, và các nguồn thay thế của carbon như bã thải công nghiệp nông nghiệp đã được nghiên cứu chuyên sâu cho thấy viễn cảnh tuyệt vời đối với sản xuất của nó

Hiện nay, toàn cầu sản xuất acid citric được ước tính là khoảng 73.6000 tấn/ năm,

và toàn bộ quá trình sản xuất được thực hiện bởi lên men Ở Brazil, gần như toàn bộ nhu cầu acid citric được đáp ứng thông qua nhập khẩu Có tăng liên tục (3,5-4%) mỗi năm trong tiêu dùng, cho thấy nhu cầu tìm kiếm mới các lựa chọn thay thế cho sản xuất của nó

1.1 Acid citric

1.1.1 Khái niệm

Acid citric là một acid hữu cơ acid citric một thành phần tự nhiên và chất chuyển hóa phổ biến của thực vật và động vật, được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực thực phẩm (60%) và dược phẩm (10%) Hrất phổ biến trong thực vật Nó có nhiều trong nước chanh (6%), trong quả cam, quýt, dứa, dâu tây Acid citric được dùng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, nước giải khát, bánh kẹo, đồ hộp, trong y được, dệt, nhuộm

Acid citric là một acid hữu cơ thuộc loại yếu và nó thường được tìm thấy trong các loại trái cây thuộc họ cam quít Nó là chất bảo quản thực phẩm tự nhiên và thường được thêm vào thức ăn và đồ uống để làm vị chua Ở lĩnh vực hóa sinh thì acid citric đóng một vai trò trung gian vô cùng quan trọng trong quá trình trao đổi chất xảy ra trong các vật thể sống

Ngoài ra acid citric còn đóng vai trò như là một chất tẩy rửa, an toàn đối với môi trường và đồng thời là tác nhân chống oxy hóa Acid citric có mặt trong nhiều loại trái

cây và rau quả nhưng trong trái chanh thì hàm lượng của nó được tìm thấy nhiều nhất, theo ước tính acid citric chiếm khoảng 8% khối lượng khô của trái chanh

Hình 1: Các sản phẩm acid citric

1.1.2 Tính chất vật lý và hóa học

Công thức phân tử: C6H8Ơ7

Công thức cấu tạo:

o OH o

Hình 2: Công thức cấu tạo

Cấu hình không gian:

Hình 3: Cấu hình không gian

Tên theo IUPAC: 2-hydroxypropane-1,2,3-tricarboxylic acid

- Tên thông thường: acid chanh

- Khối lượng riêng: 1.665 kg/m3

- Nhiệt độ nóng chảy: 1530C (3 07.40F; 426K)

- Nhiệt độ sôi: 1750C (phân hủy)

- Khối lượng phân tử: 192.13 g/mol

- Có dạng: tinh thể màu trắng

- Độ acid (pKa): + pKa1= 3.15

+ pKa2= 4.77

+ pKa3= 6.4

Tính acid của acid citric là do ảnh hưởng của nhóm carboxyl -COOH, mỗi nhóm carboxyl có thể cho đi một proton để tạo thành ion citrate Các muối citrate dùng làm dung dịch đệm rất tốt để hạn chế sự thay đổi pH của các dung dịch acid

Các ion citrate kết hợp với các ion kim loại để tạo thành muối, phổ biến nhất là muối canxi citrate dùng làm chất bảo quản và giữ vị cho thực phẩm Bên cạnh đó ion citrate có thể kết hợp với các ion kim loại tạo thành các phức dùng làm chất bảo quản

và làm mềm nước

Ở nhiệt độ phòng thì acid citric tồn tại ở dạng tinh thể màu trắng dạng bột hoặc ở dạng khan hay là dạng monohydrat có chứa một phân tử nước trong mỗi phân tử của acid citric Dạng khan thu được khi acid citric kết tinh trong nước nóng, trái lại dạng monohydrate lại kết tinh trong nước lạnh Ở nhiệt độ trên 740C dạng monohydrate sẽ chuyển sang dạng khan

Về mặt hóa học thì acid citric cũng có tính chất tương tự như các acid carboxylic khác Khi nhiệt độ trên 1750C thì nó phân hủy tạo thành CO2 và nước

1.1.3 Lịch sử phát triển

+ Vào thế kỷ thứ VIII, nhà giả kim thuật JabirIbn Hayyan, người Iran đã phát hiện ra acicd citric

+ Năm 1784, acid citric được kết tinh bởi Klar Scheel (người Thụy Sĩ) Do kết tủa citrate canxi khi bổ xung hydroxit canxi vào nước chanh

+ Năm 1893 C Wehmer phát hiện ra nấm mốc Penicillium glaucum có thể tạo nên acid citric từ đường

+ Năm 1917 James Currie (Mỹ) phát hiện ra nấm mốc Aspergillus niger có thể sản xuất acid citric rất hiệu quả

+ Trước năm 1920 acid citric được sản xuất chủ yếu ở Sicily và công ty Arenella (Palermo) và độc quyền sản xuất

+ Năm 1923, tại New York, acid citric được sản xuất từ vi sinh vật theo phương pháp lên men bề mặt

+ Năm 1930, phương pháp lên men chìm được sử dụng để sản xuất acid citric

+ Hiện nay cả hai phương pháp lên men chìm và lên men bề mặt đều được sử dụng để sản xuất acid ctric

Mặc dù các phương pháp đã được phát triển tốt để tổng hợp acid citric bằng cách

sử dụng các phương tiện hóa học, thành công tốt hơn đã đạt được bằng cách sử dụng vi sinh lên men, và theo thời gian, điều này kỹ thuật đã trở thành phương pháp tối thượng

sự lựa chọn cho sản xuất thương mại của nó, chủ yếu là do lợi thế kinh tế của sinh học sản xuất qua tổng hợp hóa học (Mattey, năm 1992) Nghiên cứu đã được chú ý nhiều

để cải thiện các chủng vi sinh vật và duy trì năng lực sản xuất của họ

1.2. Aspergillus niger

Aspergillus niger là một loại nấm sợi và là một trong những loài phổ biến nhất của các chi Aspergillus có nhiều ứng dụng trong công nghệ sinh học, nhiệt độ tối ưu ở

35- 37°C, pH từ 1,4 đến 9,8 Nó gây ra một căn bệnh được gọi là nấm mốc đen trên một số loại trái cây và rau quả như nho, hành tây, đậu phộng, và là một chất gây ô nhiễm phổ biến của thực phẩm

Aspergillus niger là vi sinh vật hiếu khí phát triển trên các chất hữu cơ, do đó nó

có thể được tìm thấy gần như ở khắp mọi nơi trong môi trường có chứa đất Ngoài ra,

nó được tìm thấy trong chất thải, nguyên liệu thực vật phân hủy và phân hữu cơ trong môi trường ngoài trời Môi trường ẩm trong nhà tạo ra một môi trường sống tốt cho sự phát triển của nấm mốc Chẳng hạn như trong các lĩnh vực hộ gia đình thông thường, trên các bức tường trong phòng tắm hoặc các khu vực khác có mositure

Hình 4: Aspergillus niger

Acid citric được tổng hợp chủ yếu từ các loài nấm sợi (nấm men và các loại vi khuẩn không có khả năng này) Các loài nấm sợi có khả năng sinh tổng hợp acid citric

bao gồm: Citromycesglader, Penicillium luteum, Penicillium glaucum, Aspergillus oryzae, Aspergillus niger, Trong đó, Aspergillus niger là nấm sợi được sử dụng vào

sản xuất acid citric nhiều nhất vì nó đáp ứng được 3 yêu cầu cơ bản về giống dùng trong sản xuất acid citric

Giống vi sinh vật dùng trong sản xuất acid citric phải đảm bảo các yêu cầu sau:

J Có khả năng tạo acid rất mạnh.

J Có khả năng chịu được môi trường acid khi lượng acid citric tăng cao.

J Ít tạo ra những acid hữu cơ khác như: acid oxalic, acid gluconic, acid fumaric.

1.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lên men acid citric

Trong quá trình glucose được chuyển hoá thành acid pyruvic theo con đường EMP (Embden-Mayerhof-Parnas), sau đó acid pyruvic tiếp tục chuyển hoá thành acid citric Phương trình tổng quát của quá trình này như sau:

2 C6H12O6 + 3 O2 >6 CôHsOv + 4 H2O

Cơ chế của sự chuyển hóa này có thể được biểu diễn như sau:

Đường C6H12O6 thủy phân thành acid pyruvic (C3H4O3)

C3H4O3 + CO2 ^ C4H4O5 (Acid oxaloacetic)

C4H4O5 + CH3COOH ^ C6H8O7 (Acid citric)

Có nhiều loài nấm mốc có khả năng oxy hóa gluxit thành axit citric như

Rhizopus, Aspergillus, Penicillium Trong đó quan trọng nhất là Aspergillus niger.

2 CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI NGUYÊN LIỆU LÊN MEN ACID

CITRIC

2.1 Mật rỉ

Mật rỉ là một phụ phẩm của ngành sản xuất đường, là sản phẩm cuối cùng của quá trình sản xuất đường mà từ đó đường không còn có thể kết tinh một cách kinh tế nữa bởi các công nghệ thông thường Thành phần chính của mật rỉ là đường, chủ yếu

là sucrose với một ít glucose và fructose Nói chung, sản lượng mật rỉ bằng khoảng 1/3 sản lượng đường sản xuất Cứ khoảng 100 tấn cây mía đem ép thì có 3 - 4 tấn rỉ mật được sản xuất

2.2 Tinh bột sắn

Độc tố trong sắn có tên chung là Phazeolunatin chứa nhiều trong sắn đắng, chủ yếu ở vỏ và cùi, hàm lượng của Phazeolunatin vào khoảng 0,001 - 0,04% Phazeolunatin không độc nhưng khi bị thủy phân thì các glucozit này sẽ giải phóng HCN, là một chất gây độc cho cơ thể Tuy nhiên dễ bay hơi và dễ hòa tan trong nước lạnh hay nước vơi nên dễ loại bỏ Sắn thái lát, phơi khô giảm đáng kể số lượng HCN

Hạt ngô gồm hai phần chính: Phôi và nội nhũ Phôi chiếm 10 - 13% trọng lượng hạt, nội nhũ chiếm 83 - 85%, vỏ chiếm 2 - 5%

Yêu cầu đối với nguyên liệu lên men acid citric: Nguyên liệu phải đảm bảo đủ lượng đường cho vi sinh vật phát triển

3 QUY TRÌNH SẢN XUẤT ACID CITRIC

3.1 Các phương pháp sản xuất acid citric

Quá trình tổng hợp sản xuất acid citric bằng công nghệ lên men là phương pháp có giá trị kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Hơn 90% lượng acid citric trên thế giới được sản xuất bằng công nghệ lên men, vì chúng có những ưu điểm sau:

1 Quy trình đơn giản và ổn định

2 Hệ thống điều khiển ít phức tạp

3 Ít yêu cầu kĩ thuật

4 Hạn chế tiêu thụ năng lượng

Trong sản xuất acid citric theo quy mô công nghiệp, thông thường người ta sử dụng 2 phương pháp lên men: lên men chìm và lên men bề mặt

So sánh giữa lên men chìm và lên men bề mặt

Mặc dù quá trình sản xuất bề mặt cần ít năng lượng hơn nhưng nó có nhiều

nhược điểm: Yêu cầu không gian lớn và cô lập, yêu cầu sự vô trùng cao

Quá trình lên men chìm có ưu điểm: Thời gian lên men ngắn (6 - 7 ngày), đảm bảo mức độ vô trùng cao hơn, kiểm soát các thông số và hoạt đọng của quá trình đơn giản, yêu cầu không gian nhỏ, tạo ra năng suất cao hơn

Một trong những vấn đề lớn của quá trình lên men là vô trùng, do đó ưu tiên

chọn phương pháp lên men chìm trong sản xuất acid citric

3.2 Công nghệ sản xuất acid citric bằng phương pháp lên men chìm sử dụng

nấm mốc Aspergillus niger

Hình 5: Sơ đồ sản xuất acid citric

Công nghệ sản xuất acid citric gồm các giai đoạn:

- Nuôi cấy nấm mốc:

Chuẩn bị dung dịch rỉ đường 3 - 4% ở nhiệt độ 35 - 380C, bổ sung thêm các chất dinh dưỡng Cấy men giống vào theo tỉ lệ 3g bào tử khô/2 -3 lít dung dịch rỉ Sau đó

mở cấy khuấy và cung cấp không khí vô trùng, duy trì áp suất 0.1 - 0.2at, nhiệt độ 34 -350C và thời gian là 28 - 36 giờ

- Chuẩn bị dịch lên men:

Rỉ đường được pha thành 2 nồng độ: nồng độ 3-4% để nuôi cấy mốc giống và lên men, nồng độ 25-28% bổ sung trong quá trình lên men Môi trường nồng độ 3-4% được pha chế trong thiết bị lên men Sau đó cho mốc giống vào và khuấy trộn trong 30 phút

- Lên men:

Trong quá trình lên men lượng đường giảm nhanh, để bù lại dùng dung dịch rỉ có nồng độ 25-28% để bổ sung gián đoạn vào dung dịch lên men Giai đoạn đầu giữ ở nhiệt độ 33-340C, khi tạo acid mạnh thì giữ ở 31-320C

- Tách nấm mốc:

Kết thúc quá trình lên men bằng cách kiểm tra mẫu: nếu hai mẫu kiểm tra cách nhau 4-6 giờ có độ acid như nhau thì coi như kết thúc quá trình lên men Thời gian lên men có thể kéo dài từ 5-10 ngày phụ thuộc vào hoạt lực của nấm mốc Khi kết thúc quá trình lên men thì đun nóng dung dịch lên men 60-650C và chuyển vào máy lọc chân không để tách nấm mốc

- Tạo canxi citrate:

Dung dịch đã lên men là hỗn hợp gồm: acid gluconic, acid oxalic, đường không lên men và các hợp chất khoáng

- Tách acid citric: bằng cách cho liên kết với Ca2+ để tạo muối canxi nitrate Dung dịch đã lên men cho vào thiết bị trung hòa và đem đun sôi Sau đó mở cấy khuấy và cho sữa vôi (Ca(OH)2) vào để trung hòa Quá trìng trung hòa kết thúc khi pH = 6.8 -7.5

Khi trung hòa tạo thành:

C6H8O7 + 3Ca(OH)2 ^ Ca3(C6H5O7>ị + 6H2O

(Acid citric) (Canxi citrate)

2C6H12O7 + Ca(OH)2 ^ Ca(C6HiiO7)2 + 2H20

(Acid gluconic) (Canxi gluconat)

C2H2O4 + Ca(OH)2 ^ CaC2O4 + 2H20

(Acid oxalic) (Canxi oxalate)

Dùng thiết bị lọc chân không tách các chất kết tủa canxi citrate và canxi oxalate: + Tách canxi citrate: dùng H2SO4 để tách canxi citrate, để làm trong

caid citric dùng than hoạt tính với lượng 2% so với lượng acid citric trong

citrate

Ca3(C6H5O7)2 + 3H2SO4 ^ 2C6H8O7 + 3CaSO4

+ Tách canxi oxalate: sử dụng 1 lượng dư acid sulfuric, khi đó canxi

oxalate sẽ kết tủa với thạch cao và trong dung dịch chỉ còn acid citric

- Sấy dung dịch acid citric trong thiết bị sấy chân không

Giai đoạn 1: sấy đến tỉ trọng 1.24-1.26

Giai đoạn 2: sấy đến tỉ trọng 1.32-1.36 tương ứng với nồng độ 80%

- Kết tinh và sấy khô acid citric

Khi nhiệt độ của dung dịch từ 35-370C thì cho tinh thể acid citric vào để kết tinh, tiếp tục làm nguội 8-100C và khuấy liên tục trong 30 phút Sau đó cho qua thiết bị ly tâm để tách tinh thể rồi đưa đi sấy khô

4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ACID CITRIC

4.1 Môi trường

Nguồn cacbon: Sự tạo thành acid citric bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi nguồn

cacbon Dễ dàng chuyển hóa Carbohydrate cần thiết để sản xuất acid citric Sucrose thuận lợi nhất, tiếp theo là glucose, fructose và galactose

Nguồn nitơ: Sản xuất acid citric chịu ảnh hưởng trực tiếp của nguồn nitơ về mặt sinh hóa, muối amoni được ưu tiên như: urê, amoni sunfat, amoni chlorure, peptone, chiết xuất mạch nha, Nồng độ của nguồn nitơ yêu cầu đối với quá trình lên men acid citric là 0,1 - 0,4 N/lít Nồng độ nitơ cao làm nấm tăng trưởng và tiêu thụ đường, do đó giảm lượng acid citric được tạo ra

Nguồn photpho: Sự hiện diện của photphat trong môi trường có ảnh hưởng lớn đến sản lượng của acid citric Phốt phát được biết đến là rất cần thiết cho sự phát triển

và trao đổi chất của A niger Nồng độ photpho thấp có lợi cho việc sản xuất acid

citric, tuy nhiên, sự hiện diện của dư thừa photpho dẫn đến sự hình thành của một số acid đường, sự giảm cố định CO2, và kích thích nấm tăng trưởng

4.2 pH môi trường

Để nấm mốc phát triển tốt giữ ở pH = 6

Để lên men tốt giữ ở pH 3.4-3.5

Vì điều kiện môi trường để nấm phát triển và để thu acid citric là khác nhau nên trong sản uất phải chu n bị môi trường cho nấm phát triển đầy đủ, sau đó điều chỉnh

môi trường thích hợp để lên men citric

4.3 Sự thoáng khí

Tất cả hệ sợi của nấm mốc là loại hiếu khí , rất cần oxy tự do Trong sản xuất có thể thực hiện được bằng quạt gió vô trùng vào phòng lên men hoặc thổi khí vô trùng vào dịch lên men

4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ thích hợp khoảng 31 - 370C Sinh khối nấm mốc phát triển mạnh ở 34

-370C Để tạo ra nhiều acid cần duy trì nhiệt độ 31 - 320C Nhiệt độ thấp hơn thì tích lũy nhiều acid gluconic Nhiệt độ cao hơn thì việc tạo acid citric bị kìm hãm Thời gian nuôi cấy từ đến 10 ngày Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men tạo acit citric là 31

- 370C Thấp hơn thì tạo acid gluconic, cao hơn thì việc tạo acid citric bị kìm hãm Thời gian lên men khoảng 7 - 10 ngày

5 ỨNG DỤNG