cong nghệ sản xuất acid lactic

Tình hình sản xuất acid latic: Hiện nay công nghệ sản xuất acid lactic được phổ biến rộng rãi trong việc chế biến sữa thànhcác loại sản phẩm như sữa chua, yaourt, fomai… vừa tăng giá trị

Mục Lục:

Chương 1: Mở đầu trang 1 1.1.Giới thiệu về acid lactic trang1 1.2 Tình hình sản xuất acid lactic trang 3 1.3 Ứng dụng của acid lactic trong CNTP trang 4 Chương 2:Công nghệ sản xuất acid lactic trang8 2.1 Nguyên liệu trang 8 2.1.1 Giống vi sinh vật trang 8 2.1.2 Cơ chế lên men trang 12 2.1.3 Chuẩn bị nguồn cơ chất trang 17 2.1.4 Chuẩn bị môi trường nuôi cấy trang 22 2.1.5 Giữ giống trang 23 2.2 Quy trình sản xuất trang 26 2.2.1 Sơ đồ quy trình trang 26 2.2.2 Thuyết minh quy trình trang 28 2.3 Sản phẩm trang 41 2.4 Các vấn đề tồn tại trang 42 2.5 Thành tựu công nghệ trang 43 2.6 Hướng phát triển trang 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO trang 49

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh

Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 1

2-Cấu hình không gian:

Acid lactic là hỗn hợp của 2 dạng đồng phân D-acid lactic và L-acid lactic:

D-acid lactic L-acid lactic

Nếu D-acid lactic và L-acid lactic có trong một hỗn hợp theo tỉ lệ 50:50 người ta gọi là hỗn hợp

raxemic Hỗn hợp này được kí hiệu là DL-acid lactic.Trong quá trình lên men không có một

hỗn hợp lý tưởng này mà chỉ có được khi tiến hành tổng hợp hữu cơ

1.2 Tình hình sản xuất acid latic:

Hiện nay công nghệ sản xuất acid lactic được phổ biến rộng rãi trong việc chế biến sữa thànhcác loại sản phẩm như sữa chua, yaourt, fomai… vừa tăng giá trị dinh dưỡng, vừa có tính chấtchữa bệnh đường ruột giúp ta ăn ngon miệng, dễ tiêu hóa mà còn có tác dụng bảo quản lâu hơnsữa tươi

Lên men lactic là quá trình chuyển hóa đường thành acid lactic nhờ vi sinh vật trong điều kiệnyếm khí Sự lên men lactic đã được biết và ứng dụng từ lâu đời trong dân gian như lên menchua rau quả, làm sữa chua, sữa đông

Với quy mô gia đình:

Sự lên men sữa chua có thể tiến hành theo kiểu dân gian (lên men tự nhiên – nhờ hệ vi khuẩnlactic có sẵn trong sữa), tuy nhiên kiểu này có tính chất gia đình quy mô nhỏ vì trong giai đoạnđầu có vi khuẩn gây thối rữa hoạt động nên làm giảm phẩm chất sản phẩm, đôi khi dẫn đến hưhỏng sản phẩm

Với quy mô công nghiệp: sản xuất acid lactic với quy mô lớn và hiện đại, phát triển nhiều sản

phẩm đạt độ ổn định và chất lượng sản phẩm cao, hiện nay trong công nghiệp người ta phải

thanh trùng Pasteur sữa (thanh trùng nhiệt 80 ÷ 900C) để nguội đến nhiệt độ phù hợp lên men,lúc đó mới cấy vi khuẩn lactic thuần khiết vào.

Các sản phẩm sữa có sử dụng quá trình lên men lactic thông thường là: sữa chua đặcaxidophilin, yaourt, fomat, bơ… và sử dụng lên men hỗn hợp gồm lên men lactic và lên menrượu như kephia, kumi…

1.3 Ứng dụng của acid lactic trong công nghệ thực phẩm:

™ Sản xuất các sản phẩm lên men từ sữa:

Các sản phẩm lên men từ sữa như: sữa chua, phomat, bơ, Các quá trình chuyển hóatrong sản xuất đều làm cho sản phẩm thêm giàu dinh dưỡng và tạo hương vị đặc trưng cho sảnphẩm

™ Lên men sữa chua:

Lên men sữa chua làm tăng giá trị dinh dưỡng có tác dụng trị bệnh đường ruột giúp

ăn ngon dễ tiêu hóa bảo quản sữa tươi lâu hơn khỏi bị hư hỏng

Sữa tươi sữa chua sau khi lên men

Nguyên tắc làm sữa chua là do sự phát triển của vi khuẩn lactic làm pH giảm mạnh,cazein trong sữa bị đông tụ Sữa từ dạng lỏng chuyển sang dạng keo sệt và có mùi vị thơmngon Quá trình làm sữa chua người ta phải sử dụng hai chủng vi khuẩn lactic đồng hình và dịhình Vi khuẩn lactic đồng hình lên men nhanh làm giảm pH, vi khuẩn lactic dị hình lên menchậm và tạo thành mùi thơm đặc trưng của sữa chua

Sản xuất phomat: để sản xuất phomat người ta dùng enzyme đông kết thu cazein trongsữa, sau đó tiếp tục cho lên men với nồng độ muối loãng Tuỳ loại phomat mà trong quá trình ủchín người ta sử dụng các loài vi sinh vật khác nhau Các loại vi sinh vật thường được sử dụng

để làm chín phomat là: vi khuẩn propionic, nấm mốc…

™ Sản xuất dưa chua:

Trong rau quả vi khuẩn sẽ phát triển tạo ra acid lactic và acid acetic cùng với một sốchất hữu cơ khác Các acid hữu cơ này làm giảm pH của dịch chống lại hiện tượng gây thối rauquả Bên cạnh đó làm tăng hương vị của khối ủ chua rau quả

Rau quả muối chua

Vì vậy sản xuất sữa chua cũng như muối chua rau quả là quá trình vừa mang ý nghĩa chếbiến vừa mang ý nghĩa bảo quản

™ Muối chua rau quả

Muối chua rau quả nhằm hai mục đích cơ bản sau đây: bảo quản nguyên liệu và làmtăng giá trị dinh dưỡng, giá trị cảm quan của rau quả Nguyên tắc để muối chua rau quả là tạođiều kiện để phát triển vi khuẩn lactic đồng thời hạn chế tác dụng của vi khuẩn gây thối rữa

Hiện nay có rất nhiều sản phẩm rau quả muối chua được sử dụng rộng rãi ở Việt Namcũng như trên thế giới

Quá trình muối chua rau quả được tiến hành như sau:

- Lựa chọn rau quả

- Quá trình phơi nắng: làm giảm lượng nước có trong nguyên liệu

- Cho thêm muối, đường: tạo áp suất thẩm thấu, làm nguyên liệu dễ nén chặt, không

bị nát và trở nên giòn Làm tăng nhanh quá trình lên men

Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men là 26 ÷ 35oC Tuy nhiên, ở nhiệt độ này vikhuẩn butyric có thể phát triển mạnh nên trên thực tế người ta khống chế ở nhiệt độ trongkhoảng 20 ÷ 25oC Thông thường vi khuẩn lactic chịu được nhiệt độ thấp hơn so với vi khuẩnkhác, vì vậy trong muối chua cần tăng nhanh độ axit để loại trừ khả năng nhiễm của một số loài

vi sinh vật khác

™ Ứng dụng trong sản xuất các loại sữa bột và bột giàu canxi:

Bổ sung Lactate calcium vào thành phần sữa bột dinh dưỡng, bánh ngọt, bánh nướng,…

Các loại sữa bột giàu canxi

Chương 2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID LACTIC

2.1 Nguyên liệu

Để sản xuất acid lactic cần phải có hai thành phần chính yếu là nguồn cơ chất và tác nhân lênmen là vi khuẩn lactic

2.1.1 Giống

™ Giới thiệu về vi khuẩn lactic

Năm 1872, nhà Hoá học Thụy Điển Karl W Scheele lần đầu tiên tách được acid lactic

từ sữa bò lên men chua Năm 1857, Louis Pasteur chứng minh được rằng sự hình thành acidlactic trong quá trình lên men sữa chua có liên quan đến một nhóm vi sinh vật đặc biệt gọi là vikhuẩn lactic Năm 1878, Joseph Lister phân lập thành công vi khuẩn lactic đầu tiên và đặt tên là

Bacterium lactis (hiện nay gọi là Streptococcus lactis) Từ đó đến nay các nhà hoá học liên tiếp

phân lập được các loại vi khuẩn khác nhau

2.1.1.1 Đặc điểm

Vi khuẩn lên men lactic thuộc họ lactobacterium Đây là những trực khuẩn, cầu khuẩnkhông tạo bào tử và hầu hết không di động, hô hấp tùy tiện Chúng có khả năng lên men nhiềuloại đường đơn và đường đôi nhưng không có khả năng lên men các loại glucid phứt tạp và tinhbột Sự phát triển của nó cần có sự mặt của pepton, axit amin, hay muối amon Chúng có yêucầu đặc biệt về chất dinh dưỡng là giàu vitamin, axit amin và khoáng chất

Vi khuẩn lactic là tên gọi chung của những vi khuẩn có khả năng sinh ra acid lactic,sản phẩm chính trong quá trình chuyển hoá carbonhydrate Chúng được xếp vào họ

Lactobacteriaccae , có thể là cầu khuẩn (lưỡng cầu, tứ cầu, liên cầu…), trực khuẩn ngắn hoặc

dài đứng đơn độc thành chuỗi nhưng đều là vi khuẩn gram dương, không tạo bào tử (tuy nhiênhiện nay người ta tìm thấy một số giống trong họ vi khuẩn lactic có khả năng tạo bào tử) và hầuhết không chuyển động Chúng không chứa cytochrom và enzyme catalase nhưng vì có khảnăng sinh tổng hợp enzyme peroxydase rất mạnh và chính enzyme này đã phân giải H2O2 tạothảnh H2O và O2 nên chúng có thể sống trong điều kiện có oxy không khí Vì vậy vi khuẩnlactic được gọi là vi khuẩn hiếu khí tuỳ tiện

Vi khuẩn lactic thu nhận năng lượng nhờ chuyển hoá đường thành acid lactic, ngoàisản phẩm chính là acid lactic, quá trình lên men đường còn cho nhiều sản phẩm đường khác

như: etanol, acid axetic, CO2 …Chính vì vậy nhóm vi khuẩn lactic là nhóm vi sinh vật có ýnghĩa rất quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như: thực phẩm, y học,sản xuất acid lactic và cả lactate nữa

- Vi khuẩn lactic có tế bào dạng hình que và hình cầu, kích thước của chúng phụ thuộc vào môi trường và điều kiện nuôi cấy

+ Dạng hình que có thể là ngắn gần như hình cầu, chiều dài khoảng 0.5 – 0.7µm và mọc thànhsợi dài, đôi khi tới 8µm Chúng đứng riêng rẽ, kết đôi hoặc kết thành chuỗi

+ Dạng hình cầu còn có dạng ovan, đường kính 0.5 ÷ 0.6 tới 1µm, đứng riêng lẻ hoặc kết đôihay kết chuỗi Chuỗi có chiều dài khác nhau

™ Thành phần môi trường có ảnh hưởng đến hình dạng tế bào Trong môi trường cóhàm lượng rượu cao sẽ làm cho tế bào dài ra Rượu etylic còn có tác dụng kìm hãm sự phânchia tế bào mạnh hơn so với sinh trưởng của vi khuẩn

- Các tế bào vi khuẩn lactic không chuyển động, không tạo thành bào tử, gram (+), không tạothành sắc tố, không khử nitrate thành nitrite, không xó hoạt tính catalaza

- Vi khuẩn lactic là thể kị khí, vi hiếu khí Trong điều kiện kị khí chúng sinh trưởng và hoạtđộng mạnh, nhưng ở điều kiện hiếu khí chúng vẫn sống nhưng hoạt động kém

- Vi khuẩn lactic sinh sản bằng cách phân chia tế bào Với điều kiện thuận lợi thời gian thế hệcủa chúng chỉ là 15 phút, không thuận lợi kéo dài đến 24 giờ

2.1.1.2 Sinh lý vi khuẩn lactic

Các vi khuẩn lactic được xếp chung vào họ Lactobacteriaceae Mặc dù nhóm vi khuẩn

này không đồng nhất về mặt hình thái, gồm cả vi khuẩn dạng que ngắn, que dài lẫn các vi khuẩnhình cầu, song về mặt sinh lý chúng lại tương đối đồng nhất

- Là vi khuẩn Gram dương

- Khác với vi khuẩn đường ruột cũng sinh ra acid lactic, các vi khuẩn lactic lên men bắt buộc,chúng không chứa các cytochrom và enzyme catalase.

- Có khả năng sinh tổng hợp enzyme peroxydase rất mạnh Chúng phân giải H2O2 và oxy đểphát triển

2.1.1.3 Phân bố:

Vi khuẩn lactic thường ít gặp trong đất và trong nước, chúng thường phát triển trên những môi trường có chứa nhiều chất hữu cơ phức tạp như :

- Trong sữa và các sản phẩm từ sữa thường gặp Lactobacillus lactis, Lactobacillus

bulgarius, Lactobacillus helviticus, Lactobacillus casei, Lactobacillus ferment, Lactobacillus brevis, Streptococcus diacetyllactis Để tồn tại trong môi trường sữa vi khuẩn lactic tổng hợp

ATP từ cơ chất lactose

- Trên bề mặt thực vật và xác thực vật đang bị phân giải hay có Lactobacillus

plantanium, Lactobacillus delnikii, Lactobacillus ferment, Lactobacillus brevis, Streptococcus lactis…Chúng còn được tìm thấy trên các loại rau quả, trái cây.

- Trong ruột và các niêm dịch ở người và động vật có Lactobacillus acidophilus,

Streptococcus faecalis, Streptococcus bovis, Streptococcus salivanius, Streptococcus pyogenes, Bifidobacterium, Pneumococcus.

- Hoạt tính catalaza: vi khuẩn lactic sống ở điều kiện kị khí nên chúng không có hoạt tínhcatalaza Song, những năm gần đây một số thông báo tìm thấy hoạt tính enzyme này ở một số

chủng vi khuẩn lactic ở dạng Pseudocatalaza Pseudocatalaza thấy ở một số loài thuộc các giống Leuconostoc và lactobacillus.

- Hoạt tính proteas: thấy ở cầu khuẩn, trực khuẩn và liên khuẩn (Streptobacterium), nhưng

ở trực khuẩn thường có hoạt lực cao hơn, nhất là các chủng phân lập được từ ruột non của bênghé Protease của vi khuẩn lactic gồm cả proteinase, peptinase

- Hoạt tính lipase của vi khuẩn lactic có ở nhiều chủng thuộc cầu khuẩn, trực khuẩn Chế phẩm lipase thu nhận từ dịch chiết không có tế bào vi khuẩn dễ dàng phân hủy những triglycerit đơn giản

Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 10

Hoạt tính hóa sinh của vi khuẩn lactic phụ thuộc vào đặc điểm sản phẩm lên men các loạiđường C6 – đường đơn – hexose (glucose, fructose, mannose, galactose), đường kép –disaccharide (lactose, maltose, sacarose) và polysaccharide (dextrin, tinh bột).

2.1.1.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của vi khuẩn lactic

- Dinh dưỡng cacbon: vi khuẩn lactic sử dụng nguồn năng lượng chính từ các nguồn đườngmono- và disaccharide như glucose, lactose, sacarose, maltose và các acid hữu cơ như acidcitric, malic, pyruvic, fumaric, làm nguồn năng lượng và trao đổi cấu trúc Khi không có mặt

cơ chất nguồn cacbon vi khuẩn sẽ sử dụng nguồn năng lượng và vật liệu tế bào là các acidamine (acid glutamic, arginin, tirozin, ) và giải phóng CO2 Các vi khuẩn không sử dụng được

nguồn cacbon là polysaccharide (ngoại trừ một loài Lactobacillus delbrueckii).

- Dinh dưỡng nitơ: theo nhu cầu nguồn dinh dưỡng nitơ vi khuẩn lactic có thể chia thành 3nhóm

+ Các phức hợp acid amine (nhóm vi khuẩn lactic chịu nhiệt Thermobacterium)

+ Phát triển trên môi trường có sixtein và muối amoni (nhóm Streptobacterium)

+ Phát triển trên môi trường có nguồn nitơ duy nhất là muối amoni (nhóm

Streptococcus).

Do phần lớn vi khuẩn lactic không có khả năng tổng hợp được các dạng nitơ hữu cơphức tạp, vì vậy chúng cần hỗn hợp các acid amine, dịch thủy phân protein từ cazein, bột đậutương, khô lạc, làm nguồn pepton, peptid và những hợp chất acid amine khác nhau có trongmôi trường

- Nguồn vitamine: vi khuẩn lactic nói chung, đặc biệt là trực khuẩn rất cần vitamine làmnguồn chất sinh trưởng

Người ta xác định được rằng: yêu cầu về vitamine riêng biệt của vi khuẩn lactic có thểthay đổi khi trong môi trường có các acid amine hoặc acid béo và dezoxyribozit khác nhau.Kiềm purin cũng ảnh hưởng tới nhu cầu của vi khuẩn về acid n-aminobenzoic, nhu cầu về acidfolic giảm nhiều nếu như môi trường có chứa tất cả các acid amine đã biết, timin hoặc timidin,kiềm purin được tổng hợp nhờ vi khuẩn trong sự tham gia của acid folic

- Các chất nitơ: để phát triển và phục vụ các hoạt động sống các vi khuẩn lactic cũng cầncác hợp chất vô cơ như: Cu, Fe, Na, P, I2, S, Mn, đặc biệt là Mn có tác dụng phòng chống tế bào

bị tự phân

Vi khuẩn làm giảm độ acid có trong môi trường cần có phức hợp các chất khoáng Cầukhuẩn lên men lactic dị hình không phát triển được ở môi trường đã làm sạch các chất khoángnhờ trao đổi ion Khi vi khuẩn đã kém hoạt lực có thể cho chúng hoạt hóa ở môi trường đã được

bổ sung những ion K+ cùng Mg2+ hoặc Mn2+

- Oxy: vi khuẩn latic không có hệ enzyme xitochrom tham gia vào hô hấp, nhưng chúnglại thực hiện được hô hấp nhờ hoạt tính của một số hợp chất có mặt của hệ flavoproteit

Quan hệ giữa các loài vi khuẩn với oxy ở mức độ hiếu khí của môi trường khác nhau làkhác nhau Trong điều kiện kị khí nghiêm ngặt chỉ làm cho trực khuẩn lên men dị hình chậmphát triển khi ban đầu, còn đối với trực khuẩn lên men đồng hình sinh trưởng bị giảm 10%, lênmen giảm 23% Các loài lên men dị hình sinh trưởng tốt nhất ở điều kiện kị khí, các loài không

sử dụng pentose thì phát triển kém trong điều kiện này

- Nhiệt độ: Topt = 25oC, đại bộ phận vi khuẩn lactic bị chết từ 45oC trở lên, riêng loài

Lactobacillus delbrueckii là loài chịu được nhiệt độ 50oC phát triển và hoạt động mạnh mẽ

- pH môi trường: các chủng vi khuẩn lactic chịu được pH thấp khác nhau, đối với vi khuẩntách từ rượu vang có thể chịu được ph= 3 ÷ 3.5 hoặc thấp hơn, các chủng loại tách từ dưa, mắmchua chịu được pH= 3.7 trở lên,

Các cầu khuẩn lên men dị hình chịu được acid nhiều nhất, ít hơn là các trực khuẩn lênmen dị hình Các trực khuẩn lên men đồng hình chiếm vị trí trung gian

2.1.2 Cơ chế lên men lactic

Lên men lactic là quá trình chuyển hóa đường thành axit lactic nhờ vi sinh vật, điểnhình là vi khuẩn lactic Lên men lactic là một trong những loại hình lên men phát triển nhấttrong thiên nhiên, có hai kiểu lên men lactic chính là lên men đồng hình và lên men dị hình

2.1.2.1 Lên men lactic đồng hình (điển hình)

Trong trường hợp này axit pyruvic được tạo thành theo sơ đồ Parnas (EMP), hydro được tách ra và chuyển tới pyruvat Sau đó axit pyruvic sẽ tạo thành axitlactic dưới tác dụng của enzyme lactatdehydrogenase

Embden-Mayerhorf-Sơ đồ chu trình EMP

Lượng axit lactic tạo thành chiếm hơn 90% Chỉ một lượng nhỏ pyruvat bị khử cacbon

để tạo thành axit axetic, etanol, CO2 và axeton Lượng sản phẩm phụ tạo thành phụ thuộc vào

Trong trường hợp này chỉ có 50% lượng đường tạo thành axit lactic, ngoài ra còn cócác sản phẩm phụ khác như: axic axetic, etanol, CO2 Dưới tác dụng của axetatkinase (cóphosphoril hóa ADP) sẽ tạo thành axetat (hoặc bị khử thành axetaldehyd rồi thành rượu etanol),còn aldehyd phosphoglyxerinic theo con đường thông thường của sơ đồ Embden-Meyerhorf.Các sản phẩm phụ tương tác với nhau tạo thành ester có mùi thơm

™ Phương trình tổng quát:

C 6 H 12 O 6 → CH 3 CHOHCOOH + CH 3 COOH + C 2 H 5 OH + COOH(CH 2 ) 2 COOH + CO 2

Glucose axit lactic (40%) axit acetic etanol axit sucxinic

Lượng sản phẩm phụ tạo thành hoàn toàn phụ thuộc vào giống vi sinh vật, vào môi trường dinhdưỡng và điều kiện ngoại cảnh, nói chung thì axit lactic thường chiếm 40% lượng đường đãđược phân hủy, axit sucxinic 20%, rượu etylic chiếm 10%, axit axetic 10% và các loại khí gần20%

2.1.2.3 Phân loại:

™Phân loại t h eo Bergey:

™Phân loại theo khả năng lên men:

Bảng phân loại vi khuẩn lactic theo khả năng lên men

Lên men đồng hình: C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 CHOHCOOH

Streptococcus lactis Streptococcus faecalis Streptococcus salivarius Streptococcus pyogenes Streptococcus cremoris Streptococcus thermophilus Streptococcus diacetilactis Pediococcus cerevisiae

Vi khuẩn ưa nhiệt

Lactobacillus lactis Lactobacillus helveticus Lactobacillus acidophilus Lactobacillus bulgaricus Lactobacillus delbruckii

Vi khuẩn ưa ấm

Lactobacillus casei Lactobacillus plantarum Lactobacillus inulinus

Lên men dị hình

C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 CHOHCOOH + CH 3 CH 2 OH + CO 2 + CH 3 COOH

Leuconostoc mesenteroides (Betacoccus)

Leuconostoc citrovorum

Lactobacillus brevis Lactobacillus viridescens Lactobacillus fermenti

Thực tế, chỉ có nhóm vi khuẩn lên men lactic đồng hình là có ý nghĩa về mặt công nghệ

do nhóm này tạo nhiều acid lactic trong quá trình lên men

2.1.2.4 Vi khuẩn trong sản xuất acid lactic:

Sản xuất công nghiệp acid lactic được bắt đầu từ cuối thế kỉ 19 Avery là người đầu tiêntìm ra cách sản xuất acid lactic ở quy mô thương mại ở Littleton (Mỹ) vào năm 1881, nhưngkhông thành công Nhà máy đầu tiên thực sự mang lại thành công đã được Boehringer xây dựngvào năm 1895 ở Ingelheim thuộc nước Đức

Tại nhà máy Ingelheim, Lactobacillus delbrueckii đã được sử dụng để sản xuất acid lactic Ngày nay ngoài Lactobacillus leichmanii và Lactobacillus bulgaricus, loài vi khuẩn

Lactobacillus delbruecki vẫn còn được sử dụng.

Với mỗi loại vi khuẩn có những khả năng lên men các loại đường khác nhau nên tùythuộc vào nguồn nguyên liệu sẽ chọn giống vi khuẩn dùng vào sản xuất cho thích hợp Nếu

nguyên liệu là huyết thanh sữa thì chọn các chủng Streptococcus lactis, Lactobacillus

bulgaricus Trong quá trình lên men với nguyên liệu chứa tinh bột và rỉ đường, người ta dùng

giống vi khuẩn lactic ưa nhiệt Lactobacillus delbrueckii Tóm lại trong công nghiệp sản xuất

acid lactic, người ta thường sử dụng các loài vi khuẩn lactic điển hình Sau đây là đặc điểm củamột số loài vi khuẩn lactic thường được sử dụng trong sản xuất acid lactic từ nguyên liệu chứađường:

μm

™ Lactobacillus delbrueckii:

- Là trực khuẩn dài, không di động, gram (+), kích thước: rộng 0.5-0.8μm, dài 2.0-9.0

- Khoảng nhiệt độ phát triển của nó là: tmax=550C, tmin=180C và topt=45-500C

- Chúng lên men được các loại đường glucose, fructose, maltose, saccharose,galactose và dextrin Chúng không có khả năng lên men được xylose, arabinose, rahamnose,lactose, raffinose, trehalose, inulin, mannital

- Điều khác nhau cơ bản của Lactobacillus delbrueckii với các vi khuẩn khác là nó

không lên men được lactose, vì vậy không được dùng trong công nghiệp sữa Nhưng nó lại lênmen mạnh các đường glucose, maltose, saccharose nên được dùng trong sản xuất acid lactic.Tích tụ được 2.2% acid lactic trong môi trường

- Trong dịch nuôi cấy trực khuẩn này có thể tạo thành acid lactic với hiệu suất chuyểnhoá so với đường là 70%

- Trực khuẩn này thường gặp ở các loại hạt cốc, đặc biệt là đại mạch

- Nhiệt độ phát triển tối ưu là 360C

- Trong quá trình lên men chúng tạo ra L-acid lactic

- Chúng không có khả năng tạo nitrit từ nitrate Nó không lên men được lactose, vìvậy không được dùng trong công nghiệp sữa, nhưng dùng để sản xuất acid lactic

trong phạm vi bài báo cáo này ta chọn loài Lactobacillus delbrueckii để thực hiện quá

trình lêm men tổng hợp acid lactic

2.1.3 Chuẩn bị nguồn cơ chất

2.1.3.1 Mật rỉ:

™Định nghĩa:

Rỉ đường hay còn gọi là mật rỉ, là phần còn lại của dung dịch đường sau khi đã tách phầnđường kết tinh Số lượng và chất lượng của rỉ đường phụ thuộc vào giống mía, điều kiện trồngtrọt, hoàn cảnh địa lý và trình độ kĩ thuật chế biến của nhà máy đường

- Rỉ đường: ở các nhà máy đường sản xuất saccharose có một phụ phẩm với tỉ lệ khá lớn,

đó là rỉ đường Đây là một loại nước cốt được tách ra sau khi kết tinh đường Có hai loại rỉđường là rỉ đường củ cải và rỉ đường mía (tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu của nhà máyđường) Cả hai loại rỉ này đều có màu nâu sẩm do được nấu và cô nhiều lần nên có nhiềucaramen và melanoid tạo thành

™ Thành phần hóa học:

Thành phần chính trong rỉ đường là: đường 62%, các chất phi đường 10%, nước 20% Nước trong rỉ đường gồm phần lớn ở trạng thái tự do và một số ít ở trạng thái liên kếtdưới dạng hydrat

Đường trong rỉ đường bao gồm: 25-40% saccharose; 15-25% đường khử (glucose vàfrutose); 3-5% đường không lên men được Ở đây do nhiều lần pha loãng và cô đặc, một lượngnhất định saccharose bị biến thành hợp chất tương tự dextrin do tác dụng của nhiệt Chất này cótính khử nhưng không lên men được và không có khả năng kết tinh Đường nghịch đảo của rỉđường bắt nguồn từ mía và sự thủy phân saccharose trong quá trình chế biến đường Tốc độ

phân giải tăng lên theo chiều tăng của nhiệt độ và độ giảm hay tăng của pH tùy theo thủy phânbằng acid hay kiềm.

Các chất phi đường gồm có các chất hữu cơ và vô cơ Các chất hữu cơ chứa các acidamin( trừ tiroxin và xistin) cùng một lượng rất nhỏ protein và sản phẩm phân giải của nó.Cácchất phi đường không chứa nitơ bao gồm pectin, araban, galactan hoặc các sản phẩm thủy phâncủa chúng là arabinose và galactose, chất nhầy, chất màu và chất thơm Pectin bị kết tủa trongquá trình chế biến đường nhưng các chất còn lại không kết tủa và gần như hoàn toàn đi vào rỉđường (1.22-1.56%)

™ Các chất màu của rỉ đường mía bao gồm:

+ Caramen: xuất hiện nhờ quá trình nhiệt phân saccharose kèm theo loại trừ nước vàkhông chứa một chút nito nào Khi pH không đổi, tốc độ tạo chất caramen tỷ lệ thuận vớinhiệt độ phản ứng

+ Phức chất polyphenol-Fe2+: có màu vàng xanh

+Melanodin: đây là sản phẩm ngưng tụ của đường khử và acid amin mà chủ yếu là acidaspartic Sản phẩm ngưng tụ quen biết nhất là acid fuscazinic đóng vai trò quan trọng làmtăng độ màu của rỉ đường

+Melanin: được hình thành nhờ phản ứng oxy hóa khử các acidamin thơm nhờ xúc táccủa enzym polyphenol oxydaza khi có mặt của oxy và Cu+2

Các acid amin thơm thường bị oxy hóa là tiroxin và brenzcatechin Các melanin thường bịloại hết ở giai đoạn làm sạch nước đường nên chỉ tìm thấy một lượng rất nhỏ trong rỉ đường.+Humin: được trùng hợp từ 66 - 68 các đơn vị cấu tạo của acid amin

+Chất keo: chủ yếu là pectin, chất sáp và chất nhầy Các chất này ảnh hưởng rất nhiềuđến sự phát triển của vi sinh vật tạo thành màng bao bọc quanh tế bào, ngăn cản quá trìnhhấp thụ các chất dinh dưỡng và thải các sản phẩm trao đổi chất của tế bào ra ngoài Ngoài rakeo là nguyên nhân chính tạo ra một lượng bọt lớn trong môi trường nuôi cấy vi sinh vật,giảm hiệu suất sử dụng thiết bị

™ Yêu cầu của rỉ đường làm nguyên liệu trong sản xuất acid lactic:

- Chất khô >= 75%

- Hàm lượng sacaroza: 50 - 51% lượng đường.pH = 6.5 - 8.5

- Hàm lượng N-chung không ít hơn 1.4 %

- Số lượng vi sinh vật không quá 15000 cfu/1g nguyên liệu

- Khi sử dụng rỉ đường, có thể dùng những con số sau để tính toán pha môitrường(%)

- Sacaroza = 50 %

- Đường khử 6-9 %

Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 20

¾ Cần bổ sung thêm :

- Nguồn N là ure hoặc amoni sulfat

- Nguồn P là supephosphat (khoảng 1 % so với rỉ đường)

Rỉ đường trước khi đem sử dụng cần phải được xử lý: pha loãngvới nước theo tỷ lệ 1:1, acid hóa bằng H2SO4 tới pH=2.8-3.0 và gia nhiệt trong vài giờ Nhiệt

độ thấp nhất là 75o C, nếu kết hợp khuấy thì càng tốt (đẩy SO2 ra khỏi rỉ đường)

Việc bổ sung các đơn vị glucose khác để sản xuất maltotriose; bổ sung thêm nữa sẽ sảnxuất dextrin (còn gọi là maltodextrins) và cuối cùng là tinh bột (glucose polymer).Thủy phân maltose có thể được tạo thành hai phân tử glucose Trong các sinh vật sống, cácenzyme maltase có thể thủy phân rất nhanh chóng Trong phòng thí nghiệm, đốt nóng một acidmạnh trong vài phút sẽ sản xuất cùng một kết quả Isomaltose là bị phá vỡ bởi isomaltase

Việc sản xuất maltose từ mầm ngũ cốc, như lúa mạch, là một phần quan trọng củaquá trình sản xuất bia Khi lúa mạch được ủ mạch, nồng độ của amylases maltose sản xuất đãđược tối đa Ngâm là quá trình mà các amylases chuyển đổi tinh bột của ngũ cốc thànhmaltose Chuyển hóa bởi men maltose trong quá trình lên men sẽ sản xuất ra ethanol và khícarbon dioxide

Phương trình phản ứng này là kết quả của nhiệt thủy phân chia các glycosidic,chuyển đổi sucrose thành glucose và fructose Nếu enzyme sucrase được bổ sung vào thì phảnứng sẽ tiến xảy ra nhanh chóng Cũng có thể được tăng tốc nếu bổ sung các axít, như cream oftartar hoặc nước chanh.

Các sinh tổng hợp của các chất bằng đường sucrose tiền chất 1-phosphate vàfructose 6-phosphate Sucrose được hình thành bởi thực vật nhưng không phải bởi các sinh vậtkhác Sucrose được tìm thấy tự nhiên trong nhiều thực phẩm thực vật cùng với fructosemonosaccharide Có nhiều trong các loại trái cây, chẳng hạn như dứa và quả mơ, sucrose làđường chính Trong những quả khác, chẳng hạn như nho và lê, fructose là đường chính

2.1.3.4 Lactose

Lactose là một loại đường được tìm thấy nhiều nhất trong sữa Lactose chiếm khoảng2-8% của sữa (tính theo trọng lượng), mặc dù số lượng khác nhau giữa các loài và cá thể Nóđược chiết xuất từ sữa chua hoặc ngọt Tên lacte, chữ Latin là tên cho sữa, cộng với OSE-kếtthúc được sử dụng để đặt tên đường Nó có công thức C12H22O11

Lactose là một disaccharide bao gồm các galactose và glucose liên kết thông qua mộtliên kết glycosidic β-1 → 4 có tên là β-D-galactopyranosyl-(1 → 4)-D-glucose Các đường cóthể ở một trong hai dạng là α-pyranose hoặc β-pyranose, các galactose chỉ có thể có dạng β-pyranose

Lactose kết tinh chậm, tinh thể cứng và có nhiều dạng tinh thể Độ ngọt của lactose chỉbằng 1/6 sacarose

Enzyme β – galactosidase (lactase) do phần ruột chảy của trẻ em tiết ra thủy phân dễdàng lactose

2.1.4 Chuẩn bị môi trường nuôi cấy

- Tất cả vi khuẩn lactic đều có đặc điểm chung là:

+ Là những vi khuẩn gram dương, nói chung là bất động, không sinh bào tử

+ Khả năng tổng hợp nhiều hợp chất cần cho sự sống của những vi khuẩn này rất yếu

+ Chúng là những vi khuẩn kỵ khí tùy nghi, là loại có khả năng lên men hiếu khí cũng như kỵkhí

Môi trường MRS: (Môi trường dùng để nuôi cấy vi khuẩn lacti

- Kiểm tra độ thuần khiết của giống;

- Kiểm tra khả năng hồi biến của giống Hầu hết chủng vi sinh vật (VSV) dùng trong sản xuất làđột biến, do đó phải kiểm tra xem chúng có hồi trở lại giống gốc của chúng hay không, hiệntượng này rất hay xảy ra

- Hoạt hóa giống sau một thời gian sử dụng Để hoạt hóa giống người ta thường sử dụng môitrường nuôi cấy giàu các chất kích thích sinh trưởng như: cao nấm men, nước chiết cà chua, hỗnhợp vitamin, axit béo

- Giữ giống bằng phương pháp thích hợp có thể duy trì được những hoạt tính ưu việt của chúng,chống thoái hoá giống, mất hoạt tính

Hiện nay thường sử dụng 4 phương pháp chính để giữ giống VSV, tuỳ theo điều kiện

mà bạn có thể chọn phương pháp thích hợp

2.1.5.1 Bảo quản trên môi trường thạch bằng, định kỳ kiểm tra cấy truyền

- Giống vi sinh vật được giữ trên môi trường thạch nghiêng (đối với các VSV hiếu khí),hoặc chích sâu vào trong mội trường thạch (đối với VSV yếm khí) Các ống được bảo quảntrong tủ lạnh ở nhiệt độ 3-50C Định kỳ cấy truyền giống, tuỳ từng nhóm VSV khác nhau màđịnh kỳ cấy truyền khác nhau, tuy nhiên giới hạn tối đa là 3 tháng;

- Để công tác giữ giống được tốt, lâu hơn và đỡ bị tạp hơn, người ta thường phủ lên môitrường đã được cấy giống VSV một lớp dầu khoáng như parafin lỏng Lớp parafin nầy sẽ hạnchế được sự tiếp xúc của VSV đối với oxi không khí và hạn chế sự thoát hơi nước của môitrường thạch, do vậy giống có thể được bảo quản lâu hơn và ít bị nhiễm tạp, thối hóa

2.1.5.2 Giữ giống trong cát hoặc trong đất sét vô trùng

- Do cấu trúc lý hóa, cát và đất sét là những cơ chất tốt mang các tế bào VSV, chủ yếu lànhóm VSV có bào tử Cách làm như sau: cát và đất được xử lý sạch, sàng lọc qua rây, xử lý pHđạt trung tính, sấy khô và khử trùng Sau đó bằng thao tác vô trùng, trộn bào tử vào cơ chất cáthoặc đất sét trong các ống nghiệm Dùng parafin nóng chảy phết lên nút bông của ống nghiệm

để giúp cho ống nghiệm không bị ẩm trở lại;

- Ngoài giữ giống trong cát và đất sét, người ta còn giữ trong hạt ngũ cốc hay trênsilicagen… Phương pháp bảo quản giống nầy chủ yếu cho nấm mốc và xạ khuẩn

2.1.5.3 Giữ giống bằng phương pháp lạnh đông

- Phương pháp nầy dựa trên nguyên tắc ức chế sự phát triển của VSV, đưa chúng vào điềukiện lạnh sâu ở khoảng -250C đến -270C Người ta trộn VSV với dung dịch bảo vệ hay còn gọi

là dung dịch nhũ hoá như glycerin 15%, huyết thanh ngựa (loại không có chất bảo quản), dungdịch glucozơ hoặc lactozơ 10% , việc làm lạnh được tiến hành một cách từ từ Khi nhiệt độ đạt-200C, nếu tiếp tục làm lạnh thì phải ở tốc độ 1-20C/phút;

- Phương pháp nầy có ưu điểm là bảo quản được lâu

+ Giữ ở nhiệt độ từ -150C đến -200C thì 6 tháng cấy truyền lại 1 lần

+ Giữ ở nhiệt độ -300C thì 9 tháng cấy truyền lại 1 lần

+ Giữ ở nhiệt độ -400C thì 12 tháng cấy truyền lại 1 lần