quy trình sản xuất chất tạo ngọt từ vi sinh vật

Độ ngọt tương đối của một số chất tạo ngọt được sử dụng trong công nghệ thực phẩm Moll, 1991... Nó có độ ngọt tương đương saccharose với vị ngọt thanh không gâyhậu vị khó chịu trong miện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

4.2.Rửa: 22

4.3.Sấy 22

Dựa trên QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA 43

VỀ PHỤ GIA THỰC PHẨM - CHẤT NGỌT TỔNG HỢP 43

(National technical regulation on Food additives – Sweeteners ) 43

Độ tan 43

Khoảng nóng chảy 43

Sắc kí lớp mỏng 43

Giảm khối lượng khi làm khô 44

Tro sulfat 44

Sulfat 44

Vai trò của Sorbitol trong thực phẩm 44

Bảng 13: liều lượng sử dụng trong thực phẩm 44

LỜI KẾT THÚC 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

[3] Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phụ gia thực phẩm - Chất ngọt tổng hợp 47

Trong bài báo cáo này, nhóm tôi xin trình bày về đề tài “ Quy trình sản xuất chất tạongọt từ vi sinh vật” Nếu có gì sai sót mong cô và các bạn góp ý để bài báo cáo củanhóm tôi hoàn thiện hơn.

I. TỔNG QUAN VỀ CHẤT TẠO NGỌT

Chất tạo ngọt là phụ gia thực phẩm, được sử dụng khá phổ biến trong công nghệchế biến và bảo quản hiện nay Chất tạo ngọt có nhiều loại ứng với các cấu trúc vàtính chất hóa học khác nhau

Đến nay, các nhà khoa học đã tìm thấy hàng trăm chất hóa học có khả năng tạo vịngọt Chúng được chiết tách từ thực vật hoặc được sản xuất bằng phương pháptổng hợp Tuy nhiên, chỉ vài chất được phép sử dụng trong công nghệ thực phẩmtùy thuộc vào quy định của mỗi quốc gia

Sơ đồ 1:Phân loại các chất tạo vị ngọt theo Branen và cộng sự (1989)

Khi sử dụng các chất tạo ngọt, người ta thường quan tâm đến ba khái niệm:

Vị ngọt: vị ngọt của saccharose được xem là vị ngọt chuẩn một số chất ngọt cóthể có vị ngọt pha lẫn ( ví dụ: Glycyrrhizin có vị ngọt pha lẫn vị cam thảo)

Ngưỡng phát hiện: nồng độ thấp nhất của dung dịch chất tạo ngọt để người sửdụng có thể cảm nhận và phát hiện được vị ngọt

Độ ngọt tương đối: thường được so sánh với độ ngọt của chất chuẩn –Saccharose Việc xác định độ ngọt tương đối được thực hiện bằng cách so sánh

tỷ lệ nồng đọ chất tạo ngọt cần tìm với chất chuẩn, sao cho vị ngọt của 2 dungdịch là tương đương

Đơn vị đo nồng độ thường dùng là phần trăm khối lượng (W/W) hoặc mol/l.Khi tiến hành thực nghiệm xác định độ ngọt tương đối, người ta thường sửdụng dung dịch chuẩn Saccharose 2.5% hoặc 10% (W/W)

Bảng 1 Độ ngọt tương đối của một số chất tạo ngọt được sử dụng trong

công nghệ thực phẩm (Moll, 1991)

Bảng 2: Ngưỡng phát hiện vị ngọt của một số glucid (Belitz và cộng sự, 1991)

các nguồn này Trong sản xuất quy mô công nghiệp, hemicellulose được sử dụnglàm nguyên liệu để tách D-xylose tinh khiết, sau đó dùng để sản xuất D-xylitol D-Xylitol đã thu hút sự quan tâm trên toàn thế giới vì tính độc đáo của nó và tiềmnăng rất lớn Nó có độ ngọt tương đương saccharose với vị ngọt thanh không gâyhậu vị khó chịu trong miệng và cung cấp chỉ bằng 2/3 lượng calories tương ứng.Ngoài ra, xylitol cũng được tạo ra với một hàm lượng nhỏ trong quá trình trao đổichất thông thường của cơ thể.

Hình1: Cơ chế sản xuất Xylitol

Một số đặc tính lý hóa của xylitol

CTPT: C5H12O5

CTCT:

Hình2: Công thức cấu tạo của Xylitol

• Nhiệt năng tan: 34,8 cal/g (thu nhiệt)

• Giá trị năng lượng: 4,06 kcal/g

Bảng 3: Hàm lượng xylitol trong một số loại rau quả và những sản phẩm có nguồn

gốc từ rau quả

b Lịch sử và nguồn gốc phát hiện:

Trong chiến tranh thế giới thứ 2, Phần Lan đã bị thiếu hụt đường và không cónguồn cung cấp đường trong nước, họ tìm kiếm, và tái phát hiện, một sự thay thếđường đó chính là xylitol Phát hiện năm 1891, xylitol đã được ứng dụng rộng rãitrong các lĩnh vực như công nghiệp thực phẩm và trong y học Sau đó, nó phát triển

ổn định và trở thành một chất làm ngọt khả thi trong thực phẩm Các nhà nghiên cứucũng phát hiện ra chất insulin độc lập với xylitol (nó sẽ chuyển hoá trong cơ thể màkhông cần dùng insulin) Nó được sử dụng rộng rãi như một chất ngọt thay thếđường cát bởi vai trò trong việc giảm sự phát triển sâu răng

c Xylitol được chấp thuận cho sử dụng bởi:

•Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ

•Health Canada

•Ủy ban Chuyên gia phần Tổ chức Y tế Thế giới về Phụ gia thực phẩm

Viện Hàn Lâm Khoa Nhi (American Academy of Pediatric Dentistry)

•Ủy ban khoa học của Liên minh Châu Âu về thực phẩm

•Các Hiệp Hội Nha Khoa California

•Hội đồng kiểm soát lượng calo và nhiều người khác

Nhiều tạp chí trích dẫn những lợi ích tích cực của Xylitol, bao gồm:

•Tạp chí của Hiệp hội Nha khoa Hoa Kỳ

•Tạp chí Nha khoa Quốc tế

•Tạp chí Nghiên cứu Nha khoa

2 Nguyên liệu sản xuất:

Xylitol được sản xuất trực tiếp từ xylose theo con đường hóa học hoặc lênmen nhờ vi sinh vật Nguồn xylose dùng trong tổng hợp hóa học hoặc lên mennhờ vi sinh vật thường được lấy từ dịch thủy phân gỗ, rơm rạ, bẹ ngô và cácnguyên liệu có nguồn gốc thực vật giàu xylan khác Các nguyên liệu thực vậtnày được thủy phân bằng enzyme hoặc acid dưới các điều kiện khác nhau, kếtquả là thu được hỗn hợp dịch có chứa các đường chủ yếu là xylose và các sảnphẩm phụ khác sinh ra trong quá trình thủy phân như acid acetic, lignin,phenol,

Sơ đồ trong hình sau nêu ra con đường tổng quát để sản xuất các sản phẩmsinh học từ nguồn nguyên liệu sinh khối thực vật

Sơ đồ 2: tổng quát các con đường sản xuất các sản phẩm hữu cơ từ nguồnnguyên liệu linocellulose.

a Thành phần cấu tạo của lignocellulose thực vật:

Gỗ hay còn được gọi là lignocellulose, được cấu tạo từ cellulose,hemicellulose, lignin và các thành phần phụ khác Thuật ngữ holocellulose thườngđược dùng để chỉ thị các loại carbohydrate có trong thực vật hoặc các tế bào visinh vật Do đó, holocellulose bao gồm cellulose và hemicellulose

Bảng 4 : Thành phần của một số loại ligcellulose thực vật

b Cellulose:

Cellulose là thành phần chính của thành tế bào thực vật bậc cao Cellulose làpolyme không phân nhánh được cấu tạo từ các mono là β-D-glucose Tuy nhiên,đơn vị cơ bản để cấu thành nên cellulose là các cellobiose, một dime bao gồm haiphân tử glucose

c Hemicellulose:

Hemicellulose là một dipolime được cấu thành từ các đường pentose (xylose,arabinose), các đường hexose (mannose, glucose, galactose) và các acid Khônggiống như cellulose, hemicellulose không đồng nhất về mặt hóa học Hemicellulosecủa gỗ cứng chứa chủ yếu là xyman trong khi hemicellulose của gỗ mềm lại chứachủ yếu là glucomannan Xylan của rất nhiều thực vật là các dị polysaccharide với

bộ khung được cấu tạo từ các đơn vị β-D-glucose Ngoài xylose, xylan còn chứaarabinose, acid glucuronic hoặc dạng 4-O-methyl ete của nó, acid acetic, acidfcrulic và acid p-coumaric Thông thường, lượng hemicellulose chiếm 15-30%trọng lượng khô của gỗ Hemicellulose dễ bị thủy phân bằng acid để tạo thành cácthành phần monome bao gồm glucose, mannose, galactose, xylose, arabinose vàmột lượng nhỏ rhamnose, acid glucuronic, acid methyl glucuronic, Hemicellulosecủa gỗ mềm và gỗ cứng có cấu trúc và thành phần khác nhau, thành phần cấu tạo

này ảnh hưởng đến thành phần của dịch thủy phân và các chất ức chế được tạothành trong quá trình thủy phân.

Bảng 4:Thành phần đường của Hemicellulose ở một số loại gỗ

Bảng 6 : Thành phần gỗ brich thuỷ phân

d Lựa chọn nguyên liệu thủy phân:

Để tìm ra nguyên liệu thích hợp, bốn loại nguyên liệu khác nhau bao gồmrơm, trấu và lõi ngô đã được thực nghiệm Các nguyên liệu này được tiến hànhthủy phân trong điều kiện acid H2SO4 0,75% ở 1210C trong vòng 60 phút Sau quátrình thủy phân, dịch thủy phân được phân tích hàm lượng đường khử bằngphương pháp Graxianop Kết quả như sau:

Bảng 7: Kết quả thủy phân các loại nguyên liệu khác nhau

Từ bảng số liệu trên cho thấy lõi ngô là loại nguyên liệu cho hàm lượng đường khửcao nhất khi thủy phân bằng acid.

Có vài cách để thủy phân nguyên liệu thu hồi xylose, các phương pháp chungnhất thường được chia thành hai loại : thủy phân bằng phương pháp enzyme vàthủy phân bằng phương pháp hóa học Ngoài hai phương pháp chính trên còn cómột số phương pháp khác để phân cắt hemicellulose thành các monome của nóchẳng hạn như phương pháp dùng tia gama, chùm electron, tuy nhiên các phươngpháp này không có ý nghĩa ứng dụng thực tiễn

Về mặt lý thuyết, xylitol có thể được sản xuất sử dụng bất kể chủng vi sinh vật nào

có khả năng sử dụng xylose và tạo thành sản phẩm trung gian là xylitol Tuy nhiênhầu hết các vi sinh vật hứa hẹn khả năng ứng dụng trong sản xuất xylitol được biếtđến nay vẫn là nấm men Rất nhiều các chủng nấm men tạo ra các enzymereductase, các enzyme này xúc tác cho phản ứng khử các đường thành các rượuđường tương ứng

Hình 3: Con đường sử dụng xylose của vi sinh vậtTrong con đường sử dụng xylose từ vi sinh vật, xylitol được tổng hợp trongbước đầu tiên khi xylose bị khử dưới tác dụng của enzyme xylose reductase Xylitolsau khi chuyển hóa qua một loạt các bước: trước hết xyliol bị oxi hóa thành xylulosedưới tác dụng của enzyme xylitol dehyerogenasse, xylulose sau đó được phosphohóa thành xylulose-5-phosohate dưới tác dụng của enzyme xylulose kinase ( hay còngọi là xylulokinase) Sau đó xylulose-5-phosohate được chuyển hóa thành pyruvate

và ethanol qua một bước trung gian khác Các phản ứng trong chu trình này diễn ra

không hoàn toàn chặt chẽ với nhau do đó một lượng xylitol nhất định luôn được tạo

ra trong môi trường

Rất nhiều các chủng nấm men có khả năng sử dụng xylose và tạo thànhxylitol trong quá trình trao đổi chất Các chủng này thường thuộc về các chi

Candida, Hansenula, Kluyveromysces, Pichia và Pacchysolen Đặc biệt là các loại thuộc về các chi Candida như Candida tropicalis, Candida guillermondii và Candida parasilosis đã được công bố trong nhiều tài liệu về khả năng tạo thành

xylitol với nồng độ tương đối cao trong môi trường

Việc sử dụng các vi sinh vật ở dạng tự nhiên trong sản xuất xylitol cũng gặpphải các khó khăn trở ngại nhất định Trở ngại chính là các chủng này thường tạothành xylitol với nồng độ thấp, ngoài ra chúng còn có thể là các vi sinh vật có khảnăng gây bệnh Do đó, nhiều tài liệu đã đề cập đến các phương pháp cải biến cácchủng vi sinh vật có trong tự nhiên sử dụng các phương pháp như đột biến và kỹthuật di truyển để tạo ra các chủng mới có khả năng tạo ra xylitol với hiệu xuất cao.Trong US.Paten số 6,217,007 , Apajalahti đã mô tả các phương pháp gây độ biến đểtạo ra các chủng nấm men bị khiếm khuyết một số enzyme nhất định trong quátrình trao đổi xylose Kết quả các chủng thu được tạo ra lượng xylitol thừa trongmôi trường cao hơn rõ rệt so với các chủng ban đầu

Hình 4: Con đường sử dụng xylose và mối quan hệ với các con đường khác trong quá trình trao đổi chất của tế bào vi sinh vật

• Loài: C.tropicalis

Candida Tropicalis là một loại nấm men có hình tròn hoặc bầu dục, kích thước

khoảng 2μm X 6μm

Tính chất:

• Nguồn Cacbon: Xylose, Glucose; Maltose; Galactose

• Nguồn Nito: Muối amoni (NH4)2SO4

• Nhiệt độ tối thích: 30°C

• pH: 4.1 -5.3

• Nhu cầu oxi: Vi sinh vật kỵ khí tuỳ tiện

• Hình thức sinh sản: Sinh sản hữu tính

Hình 5: Nâm men C Tropicalis

• Loài: P guilliermondii

Candida guilliermondii là một loại nấm men tròn hoặc bầu dục, kích thước

khoảng 3,5-6 x 6-10µm

Tính chất:

• Nguồn Cacbon: Xylose, Glucose; Sucrose

• Nguồn Nito: Muối amoni

• Nhiệt độ tối thích: 30°C ;pH: 3.5 -7

• Nhu cầu oxi: Vi sinh vật kỵ khí tuỳ tiện

• Hình thức sinh sản: Sinh sản hữu tính

Hình 6 : nấm men Candida guilliermondii

Các loại nấm men Saccharomyces cerevisiae ở dạng tự nhiên được biết đến là

một loại nấm men không lên men xylose vì nó thiếu D-xylose trong chuỗi chuyểnhóa Tuy nhiên, trạng thái GRAS của nó , dung nạp mạnh đến chất ức chế có trongthủy phân lignocellulose thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu Họ xây dựng các

chủng tái tổ hợp S cerevisiae , bằng cách cho gen cần thiết chuyển hoá xylitol vào

nó

Năm 1991, xylose gen men khử (XYL1) nhân bản từ Pichia stititis CBS

6054 đã được chuyển đổi thành S cerevisiae dưới sự kiểm soát của các kinase

phosphoglycerate (PGK) Trong chủng tái tổ hợp này, tỷ lệ chuyển đổi D-xylose đểD-xylitol đạt trên 95%

Một số nhà nghiên cứu khác đã cố gắng sử dụng các chiến lược khác nhau để

thể hiện gen khử xylose trích từ các chủng khác nhau Một gen xylose khử từ P stipitis được diễn tả trong S cerevisiae vào năm 2000 Các chủng tái tổ hợp có thể

tạo ra 0,95 g của D-xylitol từ 1 g của D-xylose trong sự có mặt của glucose được sửdụng

Handumrongkul và những người khác( 1998 ) đã nhân bản men khử xylose

từ C guilliermondii ATCC 20118 và nói rằng gien chịu sự tác động của oxidase cồn ( AOX1 ) trong methylotrophic ở nấm men P Pastoris

Các chủng nghiên cứu đã có thể sử dụng D-xylose và tích lũy D-xylitol Đặcbiệt, khi nuôi trong điều kiện hiếu khí, nó có thể sản xuất lượng tối đa D-xylitol (7,8

g / L) Các chủng tái tổ hợp có thể tạo ra 0,90 g xylitol từ mỗi gram của xylose Tuy nhiên, sự thiếu hụt của chính yếu tố NAD (P) H đã phá vỡ sự cân bằngoxi hóa khử trong tế bào, do đó việc sản xuất D-xylitol không thể tăng hơn nữa trong

D-tái tổ hợp S Cerevisiae.

Hiệu quả của việc cùng sản xuất trên cơ chất D-xylitol của S cerevisiae đãđược đánh giá Cơ chất cần thiết cho sự tăng trưởng, cần cung cấp năng lượng duytrì trao đổi chất

Các nấm men Candida được coi là ứng cử viên tiềm năng tốt hơn so với traođổi chất của S cerevisiae, do đặc điểm của người tiêu dùng sử dụng D-xylose tựnhiên và duy trì sự cân bằng giảm oxy hóa trong quá trình tích tụ D-xylitol Tuynhiên, ứng dụng của nấm men này đã được giới hạn trong ngành công nghiệp thựcphẩm vì bản chất gây bệnh cơ hội của một số Candida spp Báo cáo về các phươngpháp kỹ thuật chuyển hóa trong các chủng Candida là rất hiếm: sử dụng phươngpháp Ura-blasting Việc chuyển đổi D-xylose thành D-xylitol đạt 98% khi glycerol

đã được sử dụng như là một chất nền

Cao nấm men, (NH4)2SO4

Xylitol tính khiết (>98% Xylitol)

Xử lý

Hình 7: Sơ đồ minh họa cho sản xuất xylitol

4.1 Xay

Mục đích : tác động cơ học giảm khích thước nguyên liệu (kích thước tối đa là dài

1.5cm), chuẩn bị cho quá trình thủy phân

Mục đích: chuẩn bị cho quá trình thủy phân

Phương pháp thực hiện: Dung dịch axid clohidric (hoặc axid sulfuric) và bã mía

Mục đích: dưới tác dụng axit các polysaccharide sẽ thủy phân thành

monosaccharide Trong đó, hemicellulose thủy phân thành xylose

Thực hiện : Bán thành phẩm từ thiết bị trao đổi nhiệt ( hỗn hợp bã mía và dịchaxid) được thủy phân thực hiện bằng nồi inox, ở đây, gia nhiệt bằng cách sục hơinóng trực tiếp Nhiệt độ được kiểm soát tương đối bằng cách điều chỉnh áp suấtcủa nồi hơi trong quá trình thủy phân

Đối với phương pháp thủy phân lignocellulose bằng các tác nhân hóa học, người tathường dùng các acid như H2SO4, HCl hoặc các kiềm như NaOH có điều kiện nhiệt

độ và áp suất cao để phân cắt các thành phần polyme có trong lignocellulose thànhcác đường và các oligosacchride Trong các loại tác nhân trên thì H2SO4 được ưadùng hơn cả vì phương pháp tiến hành đơn giản và hiệu quả cao Điều kiện thủyphân thường dùng là: nồng độ acid từ 0,25-12%, nhiệt độ từ 100-1250C trong thờigian 40-75 phút

Năm 1973, người Đức đã xây dựng và đưa vào hoạt động một số nhà máy sản xuấtcồn theo công nghệ thủy phân bằng acid đặc sử dụng acid clohydric Vào năm

1948, người Nhật đã phát triển cộng nghệ sử dụng acid sulfuric đặc và sản xuất ởquy mô thượng mại Công nghệ thủy phân bằng acid đặc được tiếp tục phát tiểndưới sự tài trợ của Bộ Nông Nghiệp Hoa Kỳ trong những năm thập niên 1940 và1980