Tiểu luận môn Ứng dụng công nghệ sinh học trong công nghệ thực phẩm Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose

Thạch dừa được tạo thành bởi sự lên men vi khuẩn Acetobacter Xylinum trong môi trường nước dừa già và nước cót dừa.. Môi trường nước dừa già là nguyên liệu thường dùng để sàn xuất thạch

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

PHẦN 1.TỔNG QUAN 4

I.Giới thiệu về thạch dừa 4

1.1.Khái niệm 4

1.2.Nguồn gốc 4

1.3 Phân loại 4

1.4.Cấu trúc của thạch dừa 5

II.Nguyên liệu nước dừa 5

2.1.Nguồn gốc, phân loại 5

2.2.Giá trị dinh dưỡng 6

2.3.Thành phần hóa học 6

2.4.Tác hại của nước dừa 8

2.5.Ứng dụng của nước dừa 8

III Vi sinh vật 9

3.1.Acetobacter 9

3.1.1.Đặc điểm sinh lý 9

3.1.2.Phân loại 10

3.1.3.Ứng dụng của vi khuẩn Acetobacter 10

3.1.4.Phân lập Acetobacter 11

3.2.Giống Acetobacter xylinum 11

3.2.1.Nguồn gốc 11

3.2.2.Hình thái Đặc điểm sinh lý 11

3.2.3.Đặc điểm sinh lý, sinh hóa 11

3.2.4.Tiêu chí chọn giống 12

3.2.5.Cơ chế tổng hợp 13

PHẦN 2 SƠ ĐỔ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ LÊN MEN THẠCH DỪA 14

I.Quy trình công nghệ 14

II.Thuyết minh quy trình 15

2.1.Quá trình lọc 15

2.2.Quá trình bổ sung cơ chất 16

2.3.Quá trình tiệt trùng làm nguội 16

2.4.Quá trình lên men 17

2.5.Quá trình cắt thạch 18

2.6.Quá trình trung hòa acid 18

2.7.Quá trình đóng gói 19

2.8.Quá trình thanh trùng 19

III.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men 20

3.1.Ảnh hưởng của hàm lượng nước dừa rong môi trường lên men 20

3.2.Ảnh hưởng của nguồn Nitơ 20

3.3.Ảnh hưởng của nguồn Cacbon 21

3.4.Ảnh hưởng của nồng độ chất khô 22

3.5.Ảnh hưởng của pH 22

3.6.Ảnh hưởng của nhiệt độ 22

PHẦN 3: SẢN PHẨM THẠCH DỪA 23

I.Đánh giá chất lượng sản phẩm 23

1.1.Mô tả sản phẩm 23

1.2.Chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm 23

II.Ứng dụng 24

III.Một số loại sản phẩm hiện có trên thị trường 25

IV.Hướng phát triển một dạng sản phẩm tiềm năng 26

Tài liệu tham khảo 27

LỜI MỞ ĐẦU

Bacterial cellulose (BC) là hợp chất tương hợp sinh học, không độc hại, có nhiều tính chất độc đáo với cấu trúc siêu mịn, xốp nên có nhiều ứng dụng ở nhiều lĩnh vực trong thực tế Một trong những lĩnh vực quan trọng đó là ngành thực phẩm

Trong cuộc sống hiện đại, số lượng người bị mắc các chứng béo phì và các bệnh về tiêu hóa ngày một tăng cao Đó là hậu quả của việc sử dụng “fast food” – thức ăn nhanh và những loại thực phẩm quá nhiều chất béo Do đó, vấn đề đặt ra là phải có một loại thực phẩm năng lượng thấp, không lipid, lại giúp kích thích sự tiết thực để hạn chế phần nào các nguy cơ mắc các bệnh trên, mà vẫn phải thơm ngon, hấp dẫn đối với người tiêu dùng Thạch dừa là một ví dụ điển hình

Thạch dừa được tạo thành bởi sự lên men vi khuẩn Acetobacter Xylinum trong môi trường nước dừa già và nước cót dừa Thạch dừa là sản phẩm trắng trong như thạch agar, hơi dai, có bản chất hóa học như polysaccharide nên không có giá trị dinh dưỡng cao, nhưng có đặc tính kích thích nhu động ruột làm cho việc điều hòa bài tiết tốt hơn Thạch dừa còn có tác dụng phòng ngừa ung thư và có thể giữ cho da được mịn màng

Thuận lợi của việc sản xuât thạch dừa theo phương pháp lên men truyền thống chính là ưu điểm của công nghệ sản xuất vi sinh: tốc độ sinh sản nhanh, trang thiết bị đơn giản, ít tốn mặt bằng và nhân công, tương ứng giá thành rẻ… Tuy nhiên, điểm hạn chế của nó là phụ thuộc vào nguyên liệu, dẫn đến khó ứng dụng sàn xuất ở quy mô công nghiệp Môi trường nước dừa già là nguyên liệu thường dùng để sàn xuất thạch dừa nhưng chỉ có sẳn ở một số vùng (mang tính địa phương), còn những vùng khác lại rất khan hiếm do các yếu tố địa lý Công tác vận chuyển nước dừa đến các vùng này cũng gặp rất nhìu khó khăn Do đó vấn đề cần phải giải quyết là môi trường lên men phải xuất phát từ những nguồn nguyên liệu có sẳn, đa dạng, rẻ, có số lượng lớn, dễ vận chuyễn và mang tính quy mô công nghiệp, có thể tận dụng nguồn phế liệu từ các quá

trình sản xuất thực phẩm khác Vì vậy, nhóm chúng em thực hiện đề tài “công nghệ sản xuất bacterial cellulose”

PHẦN 1 TỔNG QUAN

I Giới thiệu về thạch dừa

1.1 Khái niệm

Thạch dừa là một sản phẩm thực phẩm

dạng khối đông, trong mờ, dai được tạo ra từ

sự lên men nước dừa bởi vi khuẩn

Acetobacter xylinum trong môi trường nước

dừa già có bổ sung các chất dinh dưỡng cần

thiết

Hình 1 Thạch dừa

1.2 Nguồn gốc

 Thạch dừa, còn gọi là Nata de coco, là một loại thức ăn phổ biến có nguồn gốc

từ phillippin, được tạo ra từ sự lên men nước dừa bởi vi khuẩn Acetobacter xylinum Nata trong tiếng Tây Ban Nha có nghĩa là kem Coco là dừa, do đó nata de coco có nghĩa là kem dừa hay thạch dừa Đây là một trong số các loại thực phẩm thương mại đầu tiên ứng dụng từ cellulose vi khuẩn

 Sản phẩm thạch dừa là một món ăn tráng miệng dai, trong suốt và rất ngon, đặc biệt là khi được trộn với các món ăn như trái cây, xirô…

 Năm 1992, thạch dừa bắt đầu được giới thiệu ở Nhật Bàn như một sản phẩm thực phẩm ăn kiêng do thạch dừa cung cấp ít năng lượng và không chứa cholesterol…

 Trong thạch dừa có hàm lượng chất xơ cao rất tốt cho hệ thống tiêu hóa do đó

có thể giúp cơ thể chống lại bệnh ung thư ruột kết

1.3 Phân loại

 Dựa trên tính chất của sản phẩm: thạch dừa thô và thạch dừa thành phẩm

Hình 2 Thạch dừa thô và thạch dừa thành phẩm

 Dựa trên bao bì sản phẩm: thạch dừa đựng trong bao bì nilon và thạch dừa đựng trong hủ nhựa

Hình 3 Thạch dừa đựng trong bao nilong và thạch dừa đựng trong hủ nhựa

 Dựa trên màu sắc và mùi vị: trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại thạch dừa với nhiều mùi vị khác nhau

Hình 4 Thạch dừa hương cam, hương dứa và hương dâu (từ trái sang)

1.4 Cấu trúc của thạch dừa

 Bản chất của thạch dừa là một màng nhày có cấu trúc là cellulose Cấu trúc mạng polysaccharide sắp xếp không theo trật tự, không theo quy luật đan xen vào nhau rất chằng chịt theo mọi phía do trong quá trình lên men các vi khuẩn Acetobacter xylinum chuyển động hỗn loạn không theo quy luật Đó là nguyên nhân tạo nên tính dai và chắc về mọi phía của miếng thạch

 Cấu trúc mạng polymer sinh học của thạch dừa có khả năng giữ nước rất lớn Miếng thạch dừa sau khi sấy ở 90OC thì mỏng như tờ giấy, bề mặt láng bong và rất dai chắc Kết quả xác định hàm ẩm của thạch dừa là 99%, thể hiện rõ đặc tính háo nước của thạch dừa, do chuỗi polymer của dạng thạch dừa chứa các nhóm OH nên rất dễ dàng tạo lien kết hydro với nước

II Nguyên liệu nước dừa

2.1 Nguồn gốc, phân loại

Nước dừa được thu mua chủ yếu từ các cơ sỡ sản xuất cơm dừa nạo sấy (nước dừa là phế liệu ở các cơ sỡ này) Ở những vùng có nhiều dừa thì sản xuất thạch dừa từ nguồn nguyên liệu nước dừa già có hiệu quả kinh tế rất cao bởi nó rất tốt cho quá trình lên men vừa giải quyết được vấn đề môi trường Tuy nhiên ở những vùng không có

dừa thì vấn đề nguyên liệu lại là một trong những điễm hạn chế dẫn đến khó ứng dụng trong sản xuất ở quy mô công nghiệp

 Có 2 loại nước dừa: nước dừa già non và nước dừa già

2.2 Giá trị dinh dưỡng

Nước dừa là một thức uống bổ dưỡng, làm mát và tăng cường sinh lực cơ thể Nước dừa chứa lượng đường vừa đủ cung cấp cho cơ thể dưới dạng đường dễ tiêu hóa (chủ yếu là glucose, fructose và saccharose) Nước dừa chứa nhiều đạm cần thiết cho

cơ thể dưới dạng nitơ acid amin thay thế và không thay thế nước dừa còn chứa nhiều vitamin và chất khoáng Lượng vitamin C trong một trái dừa đủ cung cấp cho nhu cầu

cơ thể mỗi ngày Ngoài ra nước dừa còn chứa một số vitamin nhóm B như niacin.acid pantothenic, biotin, riboflavin, acid folic, thiamin và pyrioxin tìm thấy ở dạng vết Nước dừa đặc biệt chứa nhiều khoáng chất như natri, kali, magie, canxi,sắt, đồng, phosphor, lưu huỳnh và clorua

Nước dừa có nhiều tính năng chữa bệnh như:

+ Nước dừa là thức uống bổ dưỡng cho người gia và người bệnh, chữa suy dinh dưỡng

+ Nước dừa chứa những hợp chất hữu cơ kích thích cho sự phát triễn

+ Nước dừa loại trừ chất độc trong trường hợp bị ngộ độc khoáng, giúp nhử trung và ngăn nhiễm trùng đường tiết niệu, lợi tiểu, chữa bệnh sốt mật

+ Nước dừa dùng hiệu quả trong chữa trị bệnh thận và sỏi bong đái, bênh tả, diệt giun, sán, lãi…

+ Nước dừa có thể được tiêm vào tĩnh mạch trong các trường hợp khuẩn cấp thay thế huyết thanh máu bởi vì nó vô trùng, không sinh nhiệt và dễ dàng được cơ thể chấp nhận

+ Nước dừa giúp nhanh chóng hấp thụ các loại thuốc vào cơ thể và làm các thuốc này đạt tập trung ở nồng độ cao nhất trong máu

+ Nước dừa làm giảm độ acid, làm giảm sưng tấy trong dạ dày

2.3 Thành phần hóa học

Bảng 1 Thành phần các chất trong nước dừa già và nước dừa non

+ Lượng đường khử có trong nước dừa tăng đều đặn từ 1,5% đến 5 – 5.5% trong những tháng đầu của quá trình chín và sau đó giảm chậm đến khoảng 2% ở giai đoạn quả chín hoàn toàn Khi quả chín hoàn toàn thì khoảng 90% đường tổng trong nước dừa là sucrose

 Khoáng

+ Nước dừa non chứa hầu hết các chất khoáng chất như: K, Na, Ca, P, Fe, Cu,

S và Cl Trong đó, K chiếm hơn phân nửa lượng khoáng chất, điều này có thể giải thích là do ảnh hưởng của chế độ phân bón Kali

+ Nước dừa non giàu K và một số khoáng chất khác giữ một vai trò quan trọng trong việc tăng sự bài tiết chất thải

Cystein 1.17

 Vitamin

+ Nước dừa non có chứa acid ascorbic (vitamin C) và các vitamin nhóm B + Lượng vitamin C trong khoảng 2,2 – 3,7 mg/ml và lượng này giảm dần khi cơm dừa cứng dần

Bảng 3 Các vitamin nhóm B trong nước dừa

2.4 Tác hại của nước dừa

Nước dừa chứa lượng Kali cao làm mất cân bằng hệ điện phân trong tế bào, ngoài ra nước dừa còn chứa khá nhiều đường không thích hợp cho người bị bệnh tiểu đường và béo phì

Theo quan điểm dân gian thì nước dừa thuộc âm, tức là có tính giải nhiệt, làm mát, làm mềm yếu gân cơ, hạ huyết áp Nước dừa rất có hại cho sức khỏe nếu uống nhiều và thường xuyên (3 – 4 trái/ngày) nhất là bệnh nhân suy nhược, huyết áp thấp, người hay lạnh Lạm dụng nước dừa có thể phát sinh ra các bệnh: huyết áp thấp, cườm nước (mắt), nhức đầu kinh niên, suy nhược thần kinh, thấp khớp, mỏi mệt gân cốt, trĩ nội, rong kinh, lòi dom, dễ xuất huyết nội…

Nước dừa chỉ có hại khi ta lạm dụng hay sử dụng vào các trường hợp bệnh cấm

kỵ dùng (trĩ, huyết áp thấp, cảm lạnh, thấp khớp, mệt tim do lạnh…) Dùng nước dừa không đúng lúc cũng có hại như dùng nước dừa với đá vào buổi tối (3 yếu tố âm cộng lại: nước dừa, lạnh, buổi tối) rất dễ bị bệnh

2.5 Ứng dụng của nước dừa

 Do thành phần hóa học có trong nước dừa rất đa dạng và có giá trị dinh dưỡng nên nước dừa đã được sử dụng như một loại nước giải khát phổ biến Cải thiện nước dừa bằng các chất chống oxy hoá như acid ascorbic, thêm đường 8 – 10% và điều chỉnh pH về 4.2 – 4.3, cho vào 0.1 – 0.15% sodium citrate hoặc sodium benzoate

 Nuớc dừa còn là môi trường nuôi cấy vi khuẩn Một số nhà khoa học tin rằng

nó không những thích hợp mà còn kích thích sự tăng trưởng của vi khuẩn

Nước dừa dùng để nuôi nấm men Saccharomyces fragilis tạo ra protein đơn bào

bổ sung nguồn protein thực phẩm cho con người Dùng nước dừa để nuôi nấm men có

ưu điểm là không cần bổ sung một số chất dinh dưỡng

Nước dừa dùng để sản xuất thạch dừa Thạch dừa là sản phẩm hiện nay rất được phổ biến và ưa chuộng

III Vi sinh vật

3.1 Acetobacter

3.1.1 Đặc điểm sinh lý

 Giống vi khuẩn Acetobacter thuộc họ Pseudomonadieae, phân bố rộng rãi trong

tự nhiên và có thể phân lập được các vi khuẩn này từ không khí, đất, nước, lương thực thực phẩm, dấm, rượu, bia, hoa quả… Có khoảng 20 loài thuộc giống Acetobacter đã được phân lập và mô tả, trong đó có nhiều loài có ý nghĩa kinh tế

 Vi khuẩn Acetobacter:

 Dạng hình que, tuỳ điều kiện nuôi cấy (t0, thành phần môi trường nuôi cấy) mà các vi khuẩn Acetobacter có thể sinh ra các tế bào có hình thái khác biệt dạng kéo dài hoặc phình to ra

Kích thước thay đổi tuỳ loài (0.3 – 0.6 x 1.0 – 8.0μm)

 Có thể di động (có tiên mao đơn hoặc chu mao), hoặc không di động (không có tiên mao)

 Không sinh nha bào tử

 Hiếu khí bắt buộc

 Chịu được độ acid cao

 Vi khuẩn Acetobacter có khả năng đồng hoá nhiều nguồn thức ăn carbon khác nhau: đường, ethanol, acid hữu cơ… nhưng không sử dụng được tinh bột

 Tế bào đứng riêng lẽ hoặc kết thành từng chuỗi

 Có khả năng tạo thành váng trên môi trường lỏng, khả năng tạo thành váng thay đổi tuỳ loại:

 Acetobacter xylinum: tạo thành váng cellulose khá dày và chắc

 Acetobacter orleanoe: tạo thành váng mỏng nhưng chắc

 Acetobacter pasteurianum: tạo thành váng khô và nhăn nheo

 Acetobacter suboxydans: tạo thành váng mỏng dễ tan rã

 Acetobacter curvum: sinh acid acetic với nồng độ cao nhưng tạo thành váng không chắc chắn

Do những ưu điểm vượt trội nên Acetobacter xylinum được ứng dụng trong sản xuất thạch dừa

Vi khuẩn Acetobacter có khả năng đồng hóa muối và phân giải peptone Một số loài đòi hỏi một số vitamin nhất định như acid pantothenic, các acid amin như: valin, alanin, isoleucin, proline… và các chất khoáng K, Mg, Ca, Fe, P, S… ở dạng muối vô

cơ, hữu cơ hoặc hợp chất hữu cơ Do đó, các môi trường bia, dịch tự phân nấm men, nước mạch nha, nước trái cây… là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho sự phát triển của vi khuẩn Acetobacter

3.1.2 Phân loại

Theo cách loại của J–Frateur, acetobacter có 6 loài quan trọng:

 Acetobacter aceti:

 Trực khuẩn ngắn, không chuyển động và chúng có thể liên kết với nhau thành chuỗi dài

 Chúng bắt màu vàng với iod, có thể sống ở nồng độ cồn khá cao (11%) và

có khả năng oxy hóa cồn tạo thành 6% acid acetic

 Nhiệt độ phát triển tối ưu của chúng là 340C (Nếu nhiệt độ cao quá 400C

sẽ gây ra hiện tượng co tế bào và tạo thành hình quả lê)

 Chúng thường phát triển trong bia

 Acetobacter schutzenbachii:

 Trực khuẩn khá dài, tạo thành váng dày, và không bền vững

 Có khả năng tích luỹ trong môi trường đến 11.5% acid acetic

 Thường được sử dụng để làm dấm theo phương pháp nhanh (của Đức)

 Khuẩn dài trung bình không di động

 Gặp điều kiện nhiệt độ cao có thể sinh ra các tế bào dị hình kéo dài hoặc phình to ra

 Tạo ra váng rất dày trên môi trường dịch thể, có thể phát triển được trong môi trường có nồng độ rượu cao (10% – 12%) và làm tích luỹ đến 9.5% acid acetic

 Thường được dùng trong công nghiệp chuyển rượu vang thành giấm (phương pháp của Pháp) Phát triển thích hợp ở nhiệt độ 25 – 300C

 Acetobater xylinum:

 Trực khuẩn không di động

 Tạo thành váng nhăn và khá dày Váng có chứa cellulose nên khi gặp H2SO4 và thuốc nhuộm Iod sẽ bắt màu xanh, có thể tích luỹ 4.5% acid acetic trong môi trường

 Sử dụng quá trình lên men

 Làm dấm ăn (acid acetic)

 Ngoài khả năng oxy hóa ethanol thành acid acetic, một số loài Acetobacter còn tổng hợp được vitamin B1, B2, oxy hóa sorbic thành đường sorbose (dùng trong công nghiệp sản xuất vitamin C)…

3.1.4 Phân lập Acetobacter

 Vi khuẩn Acetobacter có thể được phân lập từ dấm, rượu, bia, hoa quả, chuối chín, váng giấm Ví dụ: muốn phân lập vi khuẩn acetobacter từ không khí, người ta

pha rượu thành dung dịch 5 – 6% (hoặc theo kinh nghiệm dân gian, chỉ cần lấy một phần rượu hòa với 7 phần nước lã, đựng trong cốc miệng rộng, giữ ở tủ ấm 300C trong

2 – 3 ngày Rượu sẽ đục và trên bề mặt xuất hiện một váng mỏng Lấy váng mỏng này pha loãng ra, và phân lập trên môi trường thạch dĩa

Để ức chế sự phát triển của các loại nấm men Mycoderma (thường phát triển đồng thời với sự phát triển của vi khuẩn Acetobacter), người ta bổ sung vào môi trường phân lập 1 – 1.5% acid acetic

3.2 Giống Acetobacter xylinum

Acetobacter xylinum thuộc nhóm vi khuẩn acetic Quá trình lên men acetic được coi là quá trình lên men dấm nhưng thực chất là một quá trình oxy hóa A xylinum là loài vi khuẩn tạo được BC nhiều nhất trong tự nhiên Một tế bào A xylinum có thể chuyển hoá 108 phân tử glucose thành cellulose trong 1 giờ

3.2.1 Nguồn gốc

Chủng Acetobacter xylinum này có nguồn từ Philippin Acetobacter xylinum thuộc nhóm vi khuẩn acetic Theo hệ thống phân loại của nhà khoa học Bergey thì Acetobacter xylinum thuộc: lớp Schizommycetes, bộ Pseudomonadales, họ Pseudomonadieae

3.2.2 Hình thái Đặc điểm sinh lý

 A.xylinum là loại vi khuẩn hình que thẳng

hoặc hơi cong dài khoảng 2μm

Đứng riêng lẻ hoặc xếp thành chuỗi

 Không di động

 Gram (–)

 Vỏ nhày được cấu tạo bởi cellulose

 Là vi khuẩn hiếu khí bắt buộc, vì vậy

chúng tăng trưởng ở bề mặt tiếp xúc giữa môi

trường lỏng và môi trường

khí

Hình 5 Vi khuẩn A.xylinum

3.2.3 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa

 Có khả năng tạo váng cellulose khá dày

A.xylinum sinh trưởng ở pH<5, t0= 28 – 320C và có thể tích lũy 4.5% acid acetic Acid acetic là sản phẩm sinh ra trong quá trình hoạt động của A.xylinum, nhưng khi lượng acid tích lũy quá cao thì sẽ ức chế chúng

 A.xylinum hấp thụ đường glucose từ môi trường nuối cấy Trong tế bào vi khuẩn, glucose này sẽ kết hợp với acid béo tạo thành một tiềm chất nằm trên màng tế bào Sau đó chúng được thoát ra bên ngoài tế bào cùng với một enzyme Enzyme này

có thể polymer hóa glucose thàng cellulose

 Acetobacter xylinum sống thích hợp ờ nhiệt độ 28 320C Ở nhiệt độ này quá trình hình thành các sản phẩm trong đó có thạch dừa là tốt nhất

Bảng 4 Đặc điểm sinh hóa của A.xylinum

STT Đặc điểm sinh hóa của

1 Oxy hóa ethanol thành

acid acetic

Acid acetic tạo ra sẽ kết hợp với CaCO3 làm còng sáng rộng hơn và tạo lớp cặn đục rõ

+

3 Sinh trưởng trên môi

trường Hoyer Sinh khối không phát triển –

4 Chuyển hóa glucose thành

6 Kiểm tra khả năng sinh

+ Nồng độ cơ chất [S] = 100 – 150g glucose hoặc lactose/lít

+ Bổ sung amon và phosphate: 5g/l

+ Chỉnh pH môi trường bằng acid aceti: pH ≤ 5

 Nước dừa già: được lấy từ các nhà máy sản xuất cơm dừa sấy khô

 Nước thơm: được ép từ vỏ và lõi từ các nhà máy sản xuất dứa đóng hộp

 Rỉ đường: phế phẩm của các nhà máy sản xuất đường

 Nước mía: được ép từ thân mía

 Môi trường nuôi cấy

+ A.xylinum có thể được nuôi cấy trên nhiều môi trường khác nhau nhưng phát triển tốt nhất trên hai loại môi trường: mật rỉ đường và nước mía

+ Dưới đây là một số môi trướng tiêu biểu có khả năng ứng dụng cao phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh ở Việt Nam: