UNG DUNG VI SINH TRONG SAN XUAT CHAT MAU THUC PHAM

sản xuất chất màu thực phẩm từ VSV sản xuất chất màu thực phẩm từ VSVsản xuất chất màu thực phẩm từ VSVsản xuất chất màu thực phẩm từ VSVsản xuất chất màu thực phẩm từ VSVsản xuất chất màu thực phẩm từ VSVsản xuất chất màu thực phẩm từ VSVsản xuất chất màu thực phẩm từ VSVsản xuất chất màu thực phẩm từ VSVsản xuất chất màu thực phẩm từ VSVsản xuất chất màu thực phẩm từ VSVsản xuất chất màu thực phẩm từ VSV

3 Lịch sử phát triển 7

4 Nguồn sắc tố tự nhiên 8

5 Sắc tố sản xuất từ vi sinh vật 11

5.1 Vi khuẩn 14

5.2 Nấm 15

5.3 Nấm men 15

5.4 Tảo 16

6 Sắc tố vi sinh vật và một số ứng dụng 17

6.1 Monascus purpureus 18

6.2 Rhodotorula 21

6.3 Phaffia rhodozyma 22

6.4 Bacillus subtilis 24

6.5 Aspergillus oryzae 24

6.6 Yarrowia lipolytica 24

7 Quy trình sản xuất một loại sắc tố điển hình từ vi sinh vật 27

7.1 Thuyết minh quy trình 27

7.1.1 Chuẩn bị môi trường 27

7.1.2 Tiệt trùng 28

7.1.3 Hoạt hóa giống, nhân giống 28

7.1.4 Lên men 28

7.1.5 Ly tâm tách sinh khối 29

7.1.6 Đồng hóa 30

7.1.7 Trích ly 30

7.1.8 Lọc 30

7.1.9 Cô đặc chân không 31

7.1.10 Sấy phun 31

7.2 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm 32

7.2.1 Vật lý 32

7.2.2 Hóa học 32

7.2.3 Sinh học 32

8 Các yếu tố ảnh hưởng đến sản xuất sắc tố vi sinh vật 33

8.1 Nhiệt độ 33

8.2 pH 33

8.3 Nguồn carbon 34

8.4 Nguồn nito 35

8.5 Kiểu lên men 35

8.6 Khoáng chất 36

9 Tính ổn định của sắc tố vi sinh vật 37

10 Kết luận và triển vọng tương lai 37

11 Tài liệu tham khảo 38

1 Lời mở đầu

Đã từ lâu, con người đã biết sử dụng các nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên

để tạo màu sắc thực phẩm Những màu sắc tươi, sáng được phối với nhau sẽ làm tăng các tính chất cảm quan của thực phẩm, thực phẩm trở nên bắt mắt hơn, thu hút

hơn và cũng kích thích khẩu vị hơn rất nhiều Vì rất dễ hiểu rằng hình thức bênngoài chính là đặc tính đầu tiên của thực phẩm mà chúng ta cảm nhận, chưa tínhđến mức độ ngon cũng như giá trị dinh dưỡng của thực phẩm; nếu như hình thức

bề ngoài của thực phẩm quá tệ hay không thực sự kích thích được sự thèm ăn củathực khách thì đó cũng là một sự thất bại của nhà sản xuất thực phẩm Bên cạnh

đó, màu sắc không chỉ giúp tăng tính thẩm mỹ mà còn giúp sản phẩm thực phẩm

dễ nhận biết, nổi trội hơn hẳn các sản phẩm cùng loại khác Ngoài ra, màu sắc còncho biết sự ảnh hưởng của các khía cạnh văn hóa, địa lý, xã hội của con người Tuynhiên một số loại thực phẩm chỉ phù hợp với một số gam màu nhất định Một loạithực phẩm với cấu trúc tốt, giàu dinh dưỡng và hương vị, không thể được thưởngthức đúng cách nếu nó không được phủ trên mình những màu sắc bắt mắt, hấp dẫn.Chính vì những lợi ích to lớn mà màu sắc trong thực phẩm mang lại, các nhà sảnxuất thực phẩm đã lạm dụng những chất màu có nguồn gốc tổng hợp nhân tạonhằm đa dạng hóa sản phẩm, tiết kiệm chi phí, tiện lợi,… Mà không biết rằng, việc

sử dụng chất màu nhân tạo một cách vô vội vạ như thế sẽ gây ra những ảnh hưởng

vô cùng nghiêm trọng đến sức khỏe con người

Tuy nhiên, xã hội ngày càng phát triển, người tiêu dùng cũng dần quan tâmnhiều hơn đến khía cạnh này Theo đó mà lượng kiến thức cũng như các mối lo vềsức khỏe của người tiêu dùng ngày càng tăng, đặc biệt là mối quan tâm về sử dụngmàu thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên Kết quả là, người tiêu dùng muốn biết rằngliệu những loại màu dùng trong thực phẩm có nguồn gốc tổng hợp nhân tạo liệu cógây ung thư đối với con người Chính vì thế mà các nhà khoa học đã và đangnghiên cứu về các sắc tố tự nhiên, thân thiện với môi trường và an toàn cho người

sử dụng,… Để từ đó áp dụng cho ngành công nghệ thực phẩm nói riêng cũng nhưcác ngành liên quan nói chung Việc nghiên cứu nhận được rất nhiều sự quan tâmkhi được biết rằng việc sử dụng sắc tố tự nhiên không chỉ an toàn mà còn chứa các

hoạt chất kháng ung thư, pro-vitamin A và một số đặc tính y dược quý giá khác đốivới sức khỏe của con người.

2 Giới thiệu chung

Màu thực phẩm phụ thuộc rất nhiều vào các loại sắc tố và sự phản xạ hay tán

xạ ánh sáng Chính vì vậy, nó cho phép mắt người nhận thức được các loại màusắc như đỏ, xanh lá hay xanh dương Sắc tố là các thành phần thông thường của tếbào hay mô mà tạo ra màu Thực vật, động vật và vi sinh vật đều là nguồn sắc tố tựnhiên Tuy nhiên đối với tế bào vi sinh vật để sản xuất màu thì ta phải dùng cụm từ(Sắc tố vi sinh vật – Microbial Pigments) Các loại sắc tố có thể được chiết xuất từ

nhiều loại vi sinh vật Vi sinh vật như Monascus, Rhodotorula, Bacillus,

Achromobacter, Yarrowia và Phaffia có thể tạo ra một lượng lớn các sắc tố Vi

sinh vật lí tưởng nhất để tạo sắc tố là loại có thể sử dụng đa dạng các nguồn N, C;chịu được pH, nhiệt độ và các loại khoáng và tạo được sản lượng sắc tố hợp lý.Không độc và không mang mầm bệnh, dễ dàng tách từ sinh khối tế bào Để trongquá trình sản xuất sắc tố vi sinh vật diễn ra thuận lợi, chúng ta không thể khôngquan tâm đến điều kiện thời tiết, tốc độ sinh trưởng nhanh và dễ dàng, màu sắckhác nhau và sinh trưởng trên những cơ chất rẻ tiền, có sẵn Các nghiên cứu đã chỉ

ra sự mất ổn định, suy thoái và nhạy cảm với nhiệt độ, ánh sáng và hoạt độ nướcđối với đặc tính màu Vì vậy nghiên cứu để tăng cường sự ổn định, an toàn và khảnăng hòa tan của sắc tố vi sinh vật trong việc sử dụng rộng rãi trong ngành côngnghiệp thực phẩm đó là vấn đề rất qua trọng

3 Lịch sử phát triển

Việc thêm màu vào các thực phẩm qua chế biến là một phương pháp đã có

từ lâu nhưng việc sử dụng sắc tố vi sinh vật thì mới được áp dụng gần đây (Bảng1)

Bảng 1 – Lịch sử phát triển của các loại màu

1856 Sắc tố màu bông cà của Perkin được

phát hiện và màu nhuộn nhựa thanđược tổng hợp

thống và được sử dụng ở phương đông

để làm rượu vang gạo đỏ, rượushaohsing và rượu gạo đỏ Trung Quốc

Crytococcus được bán

1963 Sản xuất sắc tố carotenoid từ loài

Rhodotorula được bắt đầu

Đầu những năm 1970 Astaxanthin được phân lập từ Phaffia

rhodozyma, (với lòng kính trọng đối với

giáo sư Herman Jan Phaff) được nuôitrên dịch tiết và lá rụng của cây ở NhậtBản và Alaska

Cuối những năm 1970 và đầu năm

những năm 80

Sản xuất Beta carotene từ Dunaliella

salina được tiến hành

cho việc nuôi cấy D.salina trong sản

xuất rộng rãi sản phẩm Beta-carotene tựnhiên

Saffron (một loại gia vị được sản xuất từ nhụy hoa của cây nghệ tây), củ

nghệ và thuốc nhuộm thực vật được sử dụng làm màu thực phẩm (Singhal &

Kulkarni, 1999) Nata, một loại màu thực phẩm có nguồn gốc vi sinh vật, là một

trong những thực phẩm truyền thống ở Philippines và cũng được phổ biến ở

Indonesia, Nhật Bản và Đài Loan

4 Nguồn sắc tố tự nhiên

Hầu hết các loại sắc tố tự nhiên được chiết xuất từ thực vật và động vật như

màu điều nhuộm (annatto), nho, củ dền, ớt bột (paprika), côn trùng cái (Coccus

cacti) và vi sinh vật như Monascus, Rhodotorula, Bacillus, Achromobacter,

Betataines Rể củ

dền

Hòa tantrongnước

Hòa tantrongchất béo

bình đếnthấp

n

trongchất béo

bình

Trungbình

Trungbình

Trungbình

nóngchảy

Hòa tantrongnước

Carotenes Lá Hòa tan

trongchất béo

bình đếnthấp

Chlorophylls Lá Hòa tan

trongnước

-Norbixin Vỏ hạt

củaBixaorellana

Hòa tantrongnước

bình đếnthấp

-Polyphenol Lá chè Hòa tan

trongnước

bình

bìnhXanthophylls Trái cây Hòa tan

trongnước

sáng/nâu

Quinones Rễ cây,

vỏ

Hòa tantrongnước

Agrobacterium aurantiacum Astaxanthin Hồng –Đỏ

Paracoccus carotinifaciens Astaxanthin Hồng – Đỏ

Corynebacterium insidiosum Indigoidine Xanh dươngRugamonas rubra , Streptoverticillium

rubrireticuli,Vibrio gaogenes,

Alteromonas rubra

Prodigiosin Đỏ

Xanthophyllomyces dendrorhous Astaxanthin Hồng – Đỏ

Haloferax alexandrines Canthaxanthin Đỏ sẫm

Staphylococcus aureus Staphyloxanthin

Zeaxanthin

Vàng vàng

Chromobacterium violaceum Violacein Tím

Serratia marcescens, Serratia rubidaea Prodigiosin Đỏ

Pseudomonas aeruginosa Pyocyanin Xanh dương

-xanh

2) Tảo

Penicillium oxalicum Anthraquinone Đỏ

Cordyceps unilateralis Naphtoquinone Đỏ máu

Mucor circinelloides, Neurospora

crassa and Phycomyces blakesleeanus

Rhodotorula sp Rhodotorula glutinis Torularhodin Cam – đỏ

5) Xạ khuẩn

Streptoverticillium rubrireticuli Prodigiosin Đỏ

Streptomyces echinoruber Rubrolone Đỏ

Các loài vi sinh vật thích hợp phải đáp ứng các tiêu chuẩn sau: 1) Có khảnăng sử dụng đa dạng nguồn C và N; 2) Chịu được pH, nhiệt độ, nồng độ khángchất và có khả năng sinh trưởng ở điều kiện trung bình; 3) Sản lượng màu đáng kể;4) Không độc và không mang mầm bệnh và 5) Dễ dàng tách khỏi sinh khối tế bào

5.1 Vi khuẩn

Vi khuẩn là một nguồn sản xuất tốt các loại sắc tố, hầu hết là carotenoids,

đặc biệt là β-carotene tự nhiên Streptomyces chrestomyceticus, Rubescens subsp

được sử dụng để sản xuất lycopene trong khi việc sản xuất zeaxanthin và lutein từ

Flavobacterium sp cũng rất quan trọng Một dòng đột biến của Flavobacterium sản

xuất zeaxanthin trong môi trường kiềm với việc cung cấp glucose và ngô rượu dốcvới ester palmitic, methionine pyridoxine và muối sắt tại nhiệt độ được giảm

Brevibacterium KY-431’3, được phân lập chính thức từ lĩnh vực dầu khí, chứa

canthanxanthin với lượng nhỏ hơn của echinenone và β-carotene Ở Nhật Bản, nóđược xem như sinh vật mẫu cho nghiên cứu sinh tổng hợp canthanxanthin

Corynebacterium sp và Rhodococcus maris cũng được nuôi để sản xuất

canthanxanthin Quá trình sản xuất canthanxanthin được tối ưu hóa ở môi trườngchứa hydrocarbons, ammonium phosphate, khoáng chất, vitamin B12, dịch chiếtmalt Sử dụng TLC (sắc ký lớp mỏng), năm thành phần của sắc tố nâu được xử lý

và sản xuất trong canh nuôi cấy bởi Bacillus subtilis Loại bỏ tế bào khỏi môi

trường ở cuối pha log, chính là pha không có sự thay đổi về loại hay lượng sắc tố

5.2 Nấm

Sự đa dạng của các loại nấm là nguồn đáng chú ý, và tích lũy nhiều carotene Những nguồn β-carotene giá trị được sử dụng đầu tiên là Ascomycetes

β-(Penicillium sclerotiorum và Neurospora crassa), hoặc là Deuteromycetes (Rhodotula aurantiaca), tạo ít β-carotene Các hình thức giao phối giúp nâng cao

lượng β-carotene Môi trường trộn lẫn các dòng gen với giới tính khác nhau sẽ tạogấp 5-15 lần lượng sắc tố Acid trisporic có hoạt tính hocmon và được tạo ra trongsuốt quá trình giao phối kích thích quá trình sinh tổng hợp β-carotene Mặc dù β-carotene là sắc tố chính được tạo ra bởi nấm, nhưng lycopene cũng là một sắc tố

khác được tạo bởi Blakeslea trispora Sản phẩm lên men truyền thống ang-khak (gạo đỏ), được làm bằng cách lên men gạo với Monascus purpureus, là cơ chất và

được sử dụng như chất tạo màu Sắc tố, được sản xuất từ môi trường cố định củaMonascus, là một sự trộn lẫn giữa 6 sắc tố chủ yếu (đỏ, vàng và tím) và không tantrong acid Sắc tố đỏ, rubropunctatin và monoscorubin với các chuỗi bên khácnhau gồm vòng 20 lactone Monascin hay monoscoflavin và ankaflavin có màuvàng do sự suy giảm của hai sắc tố đỏ Mặc dù những sắc tố này đã được phân lập

từ cả môi trường nuôi cấy nấm rắn và lỏng, nhưng với môi trường rắn lại cho năngsuất cao gấp mười lần so môi trường lỏng Đối với sản xuất sắc tố, nấm mốc pháttriển trong môi trường rắn là gạo, khoai mì hoặc ngô, yến mạch, lúa mì, lúa mạch

Aspergillus sp đã phát triển thành công trên môi trường tinh bột sử dụng các

nguồn C khác nhau trong đó dextrin và maltose được tạo cho cường độ màu caonhất Dưới điều kiện ngập, các yếu tố như N, pH và nhiệt độ đều ảnh hưởng đếnquá trình tạo sắc tố

5.3 Nấm men

Nhiều loại nấm men (Rhodotorula, Yarrowia lipolytica, Crytococcus sp.,

Phaffia rhodozyma) là nguồn sắc tố vi sinh vật rất tốt Astaxanthin, sắc tố đỏ, được

tìm thấy ở động vật nhưng lại hiếm ở vi sinh vật như P.rhodozyma Điều kiện nuôi cấy đóng vai trò quan trọng trong việc tạo carotenoid từ P.rhodozyma (Andrew et

al, 1976), tạo ra một sự đa dạng về carotenoid như: β-carotene, 2-2.5; γ-carotene,

0.01; neurosporene, 0.01; lycopene, 0.01; echimenone, 2-4; hydroxyechinone, 4; phoenicoxanthin, 5-7; astaxanthin, 83-87% tổng carotenoid Ngoài nhữngcarotenoid này, astaxanthin được tạo chủ yếu trong suốt pha phát triển lũy thừa.

3-Nấm men dòng Basidiomycetes có khả năng sử dụng urea, thường ít thấy ở nấm men Ascomycetous Trong quá trình phát triển P.rhodozyma đóng vai trò như

nguồn sắc tố cho động vật thủy sản, astaxanthin cung cấp màu sắc phù hợp chothức ăn thủy sản

5.4 Tảo

Tảo tạo ra một lượng các sắc tố (Bảng 4) Dunalialla salina (dạng hình

trứng, rộng 4-10μmm và dài 6-15μmm)., được nuôi trong môi trường nước và thuộc lớpChlorophyta, tạo β-carotene Sản xuất β-carotene ở tảo chuộng cường độ ánh sángcao và nồng độ muối cao Công ty Betatene Limited, được thành lập năm 1985, làcông ty đầu tiên sản xuất và bán β-carotene tự nhiên Một loại vi tảo đỏ khác,

Rhodophyta, còn chứa phycocyanins và phycoerythrins (được biết như

phycobiliproteins) ngoài sắc tố chính là chlorophyll, các sắc tố màu đỏ hay xanh

dương cũng được tìm thấy ở loài Cyanophyta và Crytophyta Những sắc tố này cấu

tạo nên một lượng lớn tế bào protein tảo ví dụ như phycobiliproteins có thể lên đến30% tổng protein tế bào (5-10% sinh khối khô) của vi tảo đỏ và thậm chí có thể lên

đến 50% tổng protein ở loài P.cruentum Tuy nhiên, chỉ có khoảng 10% lượng tế bào protein có khả năng hòa tan của loài Gracilera tikvahiae là phycobiliproteins,

có thể hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy với bước sóng từ 450-650μmm

6 Sắc tố vi sinh vật và một số ứng dụng

Bảng 4 - Các sắc tố tự nhiên được sản xuất bởi vi khuẩn và ứng dụng [115].

Vi khuẩn Sắc tố/Phân tử Màu Ứng dụng

Agrobacterium Astaxanthin Đỏ hồng Thức ăn chăn nuôi

Rhodococcus maris β-carotene Đỏ xanh Được sử dụng để điều trị các rối

loạn khác nhau nhưerythropoietin protoporphyria,giảm nguy cơ ung thư vú

Bradyrhizobium sp.,

Haloferax

alexandrines

Canthaxanthin Đỏ đậm Màu thực phẩm, đồ uống và

nguyên liệu bào chế thuốc

Violacein Tím Dược phẩm (chất chống oxy hóa,

điều hòa miễn dịch, hoạt độngchống ký sinh trùng); nhuộm (dệtmay), mỹ phẩm

Flavobacterium sp., Zeaxanthin Vàng Được sử dụng để điều trị các rối

Sắc tố Monascus được sử dụng đối với các sản phẩm truyền thống như tác

nhân tạo màu tự nhiên Chúng được chiết từ M.purpureus được nuôi trên cơ chất là

gạo quá quá trình lên men rắn (Hình.1, Bảng 5)

1 - Sơ đồ quy trình sản xuất sắc tố Monascus (Broder & Koehler, 1980)

Bảng 5 - Điều kiện sinh trưởng đối với các loài Monascus khác

Thông số M.purpureus M.ruber

Wong & Koehler, 1983

Bảng 6 - Carotenoid được sản xuất bởi tảo

β-carotene Dunaliella salina Chất tạo màu thực phẩm

Lutein Chlrococcum

ChlamydomonasSpongiococcumChlorella pyrenoidosa

Thức ăn gia cầm

Canthaxanthin Hematococcus

ChlorellaChlamydomonasScenedesmusAnkistrodesmusDictyococus cinnanarius

Thức ăn gia cầm và cá

Astaxanthin Hemacoccus pluvialis Thức ăn cho cá

(Nelis & Leenheer, 1991)

Để cải thiện chất lượng (khả năng hòa tan trong nước) của sắc tố Monascus,chúng ta phải quan tâm đến những sự biến đổi hóa học liên quan đến phản ứng củasắc tố tự nhiên với protein, amino acid, mucleic acid, laccaic acid Chitosan, aminoalcohols etc, đều được sử dụng Nhưng những phương pháp này thường rất đắt, vìthế hai chất hóa học không tốn kém là amino acetic acid và p-amino benzoic acidđược sử dụng nhiều hơn Sơ đồ quy trình được thấy ở Hình.2 (Wong & Koehler,1983)

Hình.2 - Sơ đồ quy trình biến đổi hóa học của sắc tố Monascus (Wong & Koehler, 1983)

6.2 Rhodotorula

Rhodotorula được áp dụng thành công cho việc sản xuất sắc tố Để nuôi Rhodotorula, môi trường đòi hỏi một lượng các hóa chất phức tạp Bã táo, phế

phẩm từ quy trình công nghệ nước ép táo, rất rẻ, giàu đường, acid và các chất

khoáng, được sử dụng trong sản xuất sắc tố (Bảng 7) Rhodotorula rất giàu béo và

vitamin bên cạnh các carotenoid Do đó có thể kết hợp với thức ăn làm tăng giá trịdinh dưỡng và ngăn chặn sự nhiễm nấm Sắc tố Rhodotorula hấp thu tối đa tại