Công nghệ chế biến PULLULAN

DANH MỤC BẢNGBảng 1: Cấu tạo của hạt bắp so với khối lượng của toàn hạt Bảng 2: Thành phần hóa học của hạt bắp Bảng 3: Thành phần acid amin trong protein bắp g acid amin/16g N Theo Rins

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

Hình 4: Macromorphology of different Aureobasidium pullulans varieties

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Cấu tạo của hạt bắp so với khối lượng của toàn hạt

Bảng 2: Thành phần hóa học của hạt bắp

Bảng 3: Thành phần acid amin trong protein bắp (g acid amin/16g N)

(Theo Rinson và Hartwing 1977)

Bảng 4: Nhiệt độ hồ hóa của bắp và một số tinh bột khác

Bảng 5: Thành phần dinh dưỡng trong 100g dịch chiết nấm men

Bảng 6: Tiêu chuẩn K 2 HPO 4

Bảng 7: Tiêu chuẩn MgSO 4 7H 2 O

Bảng 8: Tiêu chuẩn KCl

Bảng 9: Tiêu chuẩn NaCl

Bảng 10: Thành phần môi trường lên men

Bảng 11: Thành phần môi trường

Bảng 12: Ứng dụng của pullulan trong các sản phẩm cụ thể.

Bảng 13: Ứng dụng của pullulan trong các sản phẩm cụ thể (tiếp theo) Bảng 14: Chỉ tiêu sản phẩm pullulan PF 20

Bảng 15: Chỉ tiêu sản phẩm pullulan PF 10

1. NGUYÊN LIỆU VÀ GIỐNG :

1.1. Nguyên liệu sản xuất pullulan:

Để sản xuất pullulan ta có thể sử dụng các nguồn nguyên liệu như: bắp, mật

rĩ, phụ phẩm công nghiệp rượu, tinh bột khoai tây, tinh bột sắn, nước ép trái điều… Trong bài này, nhóm trình bày phương pháp sản xuất pullulan từ bắp

Hình 1: Thu hoạch hạt bắp

Bắp có nguồn gốc từ Nam Mỹ, những khu vực nóng như Amazon, Peru và được coi như là một loại cây trồng dùng cho chăn nuôi, sau đó được gieo trồng khắp nơi và trở thành một loại lương thực thực phẩm chủ yếu ở nhiều nước

Bắp được chia làm 6 loại:

- Bắp đá: hạt có màu vàng, trắng ngà hoặc có màu tím, hạt rất cứng, dùng để sản xuất bột bắp

- Bắp rỗ: đầu hơi nhọn, hạt cứng, cũng dùng để sản xuất bột bắp

- Bắp nếp: trắng đục, dạng đầu tròn, khi nấu chín dẻo dính

Hình 2: Cấu tạo của hạt bắp

- Nội nhũ là phần tập trung hầu hết tinh bột bắp

Vỏ hạt (%)

Nội nhũ (%)

Phôi (%)

Bảng 3: Thành phần acid amin trong protein bắp (g acid amin/16g N)

(Theo Rinson và Hartwing 1977)

Bảng 4: Nhiệt độ hồ hóa của bắp và một số tinh bột khác

Tinh bột tự nhiên Nhiệt độ hồ hóa

1.3 Giống vi sinh vật:

1.3.1 Tiêu chuẩn chọn giống:

– Khả năng sinh độc tố: không có

– Khả sinh tổng hợp pullulan: càng nhiều càng tốt

– Khả năng thích nghi của giống phải cao, tốc độ sinh trưởng mạnh

– Điều kiện nuôi cấy: đơn giản, là môi trường đặc trưng cho sự sinh trưởng của vi sinh vật và tổng hợp pullulan Môi trường dễ kiếm, giá thành không quá cao

– Sự ổn định của giống theo thời gian: càng lâu càng tốt

1.3.2 Chọn giống vi sinh vật :

Aureobasidium pullulans là một loại nấm mốc đa hình, có thể sống trong

những môi trường có hoạt độ nước thấp và thiếu dinh dưỡng

A.pullulans được phân loại dựa vào đặc điểm hình thái và sinh lý dinh dưỡng

- Sợi nấm sinh dưỡng trong suốt, nhẵn, thành mỏng, độ dày khoảng 4 - 12μm,

có vách ngăn, trong canh trường có thể tự chuyển đổi sang màu nâu sẫm

- Những tế bào sinh bào tử thường không khác biệt, có thể xen giữa hoặc nằm cuối những tế bào sinh dưỡng

- Các bào tử thường trong suốt, màu nâu sẫm hay không màu, có vách dày

o Bào tử không màu có thành nhẵn, hình elip, hay thay đổi về hình dạng

và kích thước, dao động trong khoảng 7.5–16 × 3.5–7 μm, thường có một nhân không rõ ràng

10-17 x 5-7 μm, 2 tế bào được cách nhau bởi một vách ngăn

o Khả năng nảy chồi của bào tử không màu lớn hơn so với bào tử màu nâu sẫm, nhiều bào tử trong canh trường cũ chuyển sang hình cầu, có màu hơi nâu

Hình 3: A.pullulans var pullulans.

a) Những bào tử được giải phóng bắt đầu nảy chồi

b) Những bào tử được sinh sản đồng loạt từ những tế bào sinh bào tử c) Những sợi nấm ngắn sinh bào tử

d) Bào tử màu nâm sậm

e –m) Những tế bào sinh bào tử không phân biệt với tế bào sinh dưỡng

Hiện nay, loại nấm mốc này có 3 giống chính được phân lập:

• A pullulans var pullulans

• A.pullulans var melanogenum

• A.pullulans var aubasidani

Hình 4: Macromorphology of different Aureobasidium pullulans varieties incubated for 7 d at 25 ºC in

the dark on MEA (Malt Extract Agar) and on PDA (Potato Dextrose Agar)

a–h A.pullulans var pullulans: a, b CBS 584.75 (MEA); c, d CBS 584.75 (PDA); e CBS 109810

(MEA); f, g CBS 701.76 (MEA, PDA); h MZKI B-700 (PDA)

i–p A pullulans var.melanogenum: i, j CBS 105.22 (MEA); k, l CBS 105.22 (PDA); m EXF-3382

(MEA); n CBS 621.80 (MEA); o EXF-924 (PDA); p CBS 100225 (PDA)

q–u A pullulans var.subglaciale: q, r EXF-2481 (MEA); s EXF-2481 after 14 d incubation (MEA); t EXF-2481 (PDA); u EXF-2479 (PDA) v–y A pullulans var namibiae v, w CBS 147.97 (MEA);x, y CBS

147.97 (PDA).

Ở đây, chúng ta chọn giống Aureobasidium pullulans var pullulans có mã số

MTCC 2195, đặc điểm giống này:

- Chịu được nồng độ muối tối đa: 15% NaCl

- Nhiệt độ sinh trưởng: 4oC – 30oC, nhiệt độ tối ưu: 25oC

Hình 6: Cơ chế tổng hợp Pullulan (1)

Hình 7: Cơ chế tổng hợp Pullulan (2) Postulated mechanism for the synthesis of panose and isopanose, the repeating units of pullulan invovling lipid phosphate carrier

UDPG: uridin diphosphate glucose UMP: uridin monophosphate UMP: uridin diphosphate

Con đường sinh tổng hợp pullulan vẫn chưa được giải thích rõ ràng Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng chất vận chuyển-lipid (a lipid intermediate or carrier) có liên quan tới sự sinh tổng hợp pullulan Giả thuyết này sau đó được mở rộng bởi Cacley và McDowell, những người đã tách được glycolipid từ

Aureobasidium pullulans Glycolipid liên kết với glucose và các oligosaccharide

khác như isomaltose, pannose, isopanose bởi liên kết pyrophosphate Do vậy, để tạo

thành mạch polysaccharide, A.pullulans không phải chỉ tạo ra liên kết α-1,4 và α-

1,6 glucoside để đơn giản nối các monome lại với nhau

Có thể dự đoán rằng lipid kỵ nước giúp vận chuyển các chất qua màng tế bào chất, đây là yêu cầu cơ bản cho các polysaccharide ngoại bào Tuy nhiên, nơi sinh tổng hợp pullulan là ở trong màng tế bào chất hay bên ngoài màng tế bào và tầm quan trọng của thành tế bào vẫn chưa được làm sáng tỏ

Thêm nữa, enzyme liên quan đến sự sinh tổng hợp pullulan vẫn chưa được biết đến dù rằng chắc chắn chúng có tồn tại

Việc nghiên cứu về cơ chế sinh tổng hợp pullulan vẫn đang tiếp tục Nếu có thể làm sáng tỏ cơ chế đó sẽ đưa việc sản xuất pullulan lên một bước tiến cao hơn, tăng

độ tinh sạch của pullulan và loại trừ vấn đề nhiễm bẩn melanin

2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:

Sơ đồ khối:

Hình 8: Sơ đồ khối quy trình lên men tạo pullulan

Giống

Cấy giống Tiệt trùng

Hình 9: Sơ đồ khối quy trình tinh sạch pullulan

3. GIẢI THÍCH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ :

3.1 Chuẩn bị nguyên liệu:

Chuẩn bị nguyên liệu cho quá trình thủy phân Bắp được đem làm sạch và nghiền để tạo kích thước nhỏ giúp cho quá trình thủy phân xảy ra dễ dàng

- Làm cho hạt sạch hơn, sáng hơn

- Tăng giá trị cảm quan

Hình 10: Thiết bị làm sạch

 Nguyên tắc hoạt động: nguyên liệu được đưa vào từ cửa cấp liệu đi xuống hệ thống sàng Trên đường đi, các tạp chất nhẹ như mạt bắp, bụi, rác nhuyễn… được quạt hút hút ra ngoài Hệ thống sàng bao gồm các sàng có kích thước khác nhau được sắp xếp thứ tự từ trên xuống theo kích thước lỗ giảm dần để phân riêng tạp chất lớn (đá, sỏi, cùi bắp ), các hạt chính và tạp chất bé (đất, cát…)

- Thay đổi kích thước của nguyên liệu

- Tế bào tinh bột bị phá vỡ, giải phóng tinh bột dưới dạng hạt có kích thước nhỏ

 Hoá sinh:

- Khi vỏ tế bào bị phá vỡ, các enzyme trong tế bào cũng được giải phóng và có điều kiện hoạt động, nhất là các enzyme thủy phân tinh bột

 Sinh học:

- Một số vi sinh vật có thể bị tiêu diệt với mức độ không đáng kể.

Hình 11: Cấu tạo của máy nghiền búa

 Nguyên tắc hoạt động: vật liệu trong máy nghiền búa được nghiền nhỏ, do

sự va đập của búa vào vật liệu và chà xát vật liệu giữa búa và thành máy Các hạt vật liệu sau khi nghiền có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới phân loại sẽ đi

ra ngoài, các hạt có kích thước lớn hơn lỗ lưới phân loại sẽ được tiếp tục nghiền

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền:

- Tính chất nguyên liệu: kích thước của nguyên liệu, độ cứng, độ ma sát, cấu trúc, độ ẩm, tính mẫn cảm nhiệt của nguyên liệu

- Thiết bị: lực tác dụng lớn thì quá trình nghiền nhanh, kích thước lỗ sàng càng bé thì mức độ nghiền càng mịn

- Ở nhiệt độ cao, khả năng hút nước của hạt tinh bột càng mạnh.

 Sinh học: không có những biến đổi quan trọng, một số vi sinh vật bị ức chế

 Hóa học: có sự tạo thành liên kết hydro với nước

- Tăng diện tích tiếp xúc cho hạt tinh bột

 Hóa lý: tăng khả năng hòa tan cho hạt tinh bột

 Hóa học: liên kết hydro với nưóc bị phá vỡ

 Sinh học: vi sinh vật có thể bị ức chế hay tiêu diệt

3.2.3 Đường hóa

 Mục đích:

Tạo hỗn hợp gồm các đường đơn giản (glucose) thuận lợi cho quá trình lên men

 Các biến đổi:

 Vật lý:

- Tăng hàm lượng chất khô

- Tăng khả năng truyền nhiệt

- Giảm độ nhớt

 Hóa lý: tăng khả năng hòa tan

 Hóa sinh: có sự tác dụng của α-amylase và gluco-amylase lên các mạch amylose và amylopectin tạo thành hỗn hợp sản phẩm chủ yếu là glucose và các dextrin mạch ngắn

 Hoá học: có thể xảy ra phản ứng Maillard tạo thành các hợp chất làm sậm màu dung dịch

 Phương pháp thực hiện và thiết bị:

Sử dụng phương pháp hồ hóa và dịch hóa ở áp suất cao

- Phối trộn nguyên liệu và nước theo tỷ lệ 1/3(m/m), chỉnh pH thích hợp

- Gia nhiệt đến 140-160oC (4,5-6 bar), thời gian gia nhiệt 30-45 phút Thời gian dừng 40-60 phút

- Làm nguội đến 90oC bổ sung chế phẩm α-amylase chịu nhiệt

Hình 12: Thiết bị thủy phân ở áp suất thường

• Mục đích : Chuẩn bị cho quá trình lên men, bổ sung các chất dinh dưỡng cần

- Môi trường lên men:

Bảng 10: Thành phần môi trường lên men

- Môi trường sau khi phối trộn sẽ được tiệt trùng

Hình 13: Thiết bị tiệt trùng môi trường

2- Bơm3- Bộ đun nóng4- Bộ giữ

5- Bộ lấy mẫu6- Thiết bị trao đổi nhiệt- thu hồi7- Thiết bị trao đổi nhiệt- thiết bị làm mát

8- Thiết bị lên men

3.4 Nhân giống:

• Mục đích : tăng số lượng vi sinh vật, chuẩn bị cho quá trình lên men.

• Biến đổi :

- Sinh học: Tăng sinh khối (số lượng tế bào tăng lên)

- Hóa sinh: Các phản ứng trao đổi chất của vi sinh vật

- Vi sinh: Lượng sinh khối tăng lên, vi sinh vật sinh tổng hợp pullulan

• Thiết bị : Bình lên men có cánh khuấy.

• Thông số công nghệ :

- pH: 6.5

- Nhiệt độ: 28-30oC

- Thời gian: 96h/mẻ

- Hàm lượng pullulan tạo thành: 71g/l

Hình 14: Thiết bị lên men

3.6 Tách sinh khối:

• Mục đích : Khai thác, làm giàu pullulan trong dịch sau lên men Quá trình

được thực hiện nhằm tách bỏ sinh khối, chuẩn bị cho quá trình tẩy màu

• Các biến đổi:

- Vật lý: Nhiệt độ trong dung dịch tăng, độ nhớt giảm

- Hóa lý: có sự tách pha ( pha lỏng và pha rắn)

- Hóa học: Không có biến đổi đáng kể, chủ yếu là nồng độ các chất bị thay đổi Pullulan cũng bị tổn thất trong quá trình này

• Thiết bị : sử dụng thiết bị ly tâm lắng loại dĩa.

• Thông số công nghệ : tốc độ 10,000 rpm trong 15 phút.

Hình 15: Thiết bị ly tâm loại dĩa 3.7 Tẩy màu:

• Mục đích : khai thác, hoàn thiện

Tẩy màu để tăng hàm lượng pullulan, tách các tạp chất trong dung dịch

• Mục đích : Lọc để tách bỏ than đã hấp thụ từ quá trình tẩy màu trên.

• Biến đổi : Biến đổi chủ yếu là sự tách pha (pha rắn và pha lỏng).

• Thiết bị: sử dụng thiết bị lọc khung bản Màng lọc được làm bằng các chất có

khả năng hấp phụ các phần tử cặn, có độ xốp nhất định Đó là các tấm cellulose, amiăng, bông, bột sứ xốp, kizelgua, oxyt nhôm, cẩm thạch, …

• Các thông số công nghệ :

- Áp lực lọc: 3 at

- Lọc tại nhiệt độ phòng: khoảng 30-32oC

Hình 16: Thiết bị lọc khung bản

3.9 Tạo tủa:

Sử dụng dung môi ethanol

• Mục đích : Khai thác.

• Biến đổi : Pullulan bị kết tủa trong dung môi, có thể một số polysaccharide

ngoại bào khác cũng bị kết tủa

• Mục đích : khai thác nhằm thu nhận kết tủa.

• Các biến đổi : Chủ yếu là sự tách pha (pha rắn và pha lỏng).

• Thiết bị : sử dụng thiết bị ly tâm lắng loại dĩa.

• Thông số công nghệ : tốc độ 10,000 rpm trong 15 phút.

Hình 17: Thiết bị ly tâm loại dĩa

3.11 Hòa tan:

• Mục đích : chuẩn bị cho quá trình lọc UF.

• Các biến đổi : Sự biến đổi pha là chủ yếu Pullulan hòa tan trong nước, độ

nhớt tăng

• Thiết bị : Sử dụng bình có cánh khuấy.

3.12 Lọc UF:

• Mục đích : khai thác nhằm thu được pullulan có độ tinh khiết cao.

• Các biến đổi : dung dịch ra khỏi thiết bị được phân thành 2 dòng: permiate và

retentate Trong đó, dòng retentate có nồng độ pullulan cao

- Sau quá trình lọc bằng membrane, có sự thay đổi tính chất vật lí của dòng sản phẩm so với nguyên liệu ban đầu (tỉ trọng, độ nhớt, độ đục, nhiệt độ sôi…)

• Thiết bị : Sử dụng thiết bị lọc UF dạng ống.

-Sử dụng membrane mô hình ống (tubular module) loại UF.

Hình 18: Mô hình thiết bị membrane tubular module

Hình 19: Nguyên lý của màng lọc UF

- Quá trình phân riêng bằng membrane cho ta hai dòng sản phẩm: dòng sản phẩm đi qua membrane được gọi là permeat, dòng không qua membrane gọi là retentate

- Thiết bị là hai ống hình trụ đồng trục làm bằng thép không rỉ, đường kính khác nhau và được đặt lồng vào nhau Ống hình trụ bên trong có thân được đục lỗ Membrane dạng tấm được cuộn tròn lại để tạo thành hình ống và được lồng ép vào thành bên trong của ống hình trụ có đường kính nhỏ

- Dung dịch chứa nguyên liệu được bơm được ào một đầu bên trong ống hình trụ đường kính nhỏ Dòng retentate sẽ thoát ra đầu bên kia của ống hình trụ này Còn dòng permeat sẽ chui qua các mao dẫn của membrane và thoát ra thành bên ngoài của ống hình trụ nhỏ rồi theo đường dẫn để đi ra ngoài thiết bị

3.13 Sấy phun:

• Mục đích : hoàn thiện.

• Các biến đổi nguyên liệu :

- Trong quá trình sấy phun, quá trình bay hơi nước diễn ra với tốc độ nhanh

vì diện tích bề mặt bốc hơi lớn ngoài ra, còn có hiện tượng bay hơi của các cấu tử dễ bay hơi

• Thiết bị : Thiết bị sấy phun với đầu phun ly tâm.

Hình 20: Thiết bị sấy phun

để bay hơi hết ẩm tạo thành những hạt bột mịn rơi xuống phễu hình nón rồi được vít

tải I chuyển về thùng chứa Khí thải được dẫn vào hệ thống tách bụi xylon, lọc túi rồi thải ra ngoài.

Pullulan là một loại polysaccharide ngoại bào, tạo bởi liên kết α - 1,6 -

glucoside của các đơn vị maltotriose Maltotriose gồm 3 phân tử glucose lien kết với nhau bởi liên kết α - 1,4 - glucoside

Hình 21: Cấu trúc pullulan

4.1 Ứng dụng:

Pullulan được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thực phẩm

thành bằng cách sấy dung dịch pullulan 5-10% trên một bề mặt nhẵn, phẳng

Độ dày của màng pullulan khoảng 5-60μm Tính chất không thấm khí của màng pullulan giúp ngăn cản sự oxy hóa chất béo và vitamin Ứng dụng để làm một lớp vỏ bọc bên ngoài các sản phẩm thực phẩm như là dried food, rau quả, thịt, các loại đậu, … Pullulan có thể sử dụng chung với lipid để tăng cường tính chống thấm nước

Hình 22: Đồ thị thể hiện tính kết dính của pullulan so với các chất khác

Hình 23: Đồ thị thể hiện tính thấm khí của pullulan so với các chất khác

Hình 24: Sản phẩm kẹo có sử dụng pullulan

hóa nguồn C của pullulan để có thể làm hư hỏng thực phẩm

- Pullulan còn được ứng dụng làm vỏ viên nang, trong đó tỷ lệ pullulan chiếm

từ 15-90% Các loại màng ăn được, có thể tẩm hương vị làm từ pullulan trong các sản phẩm làm mát hơi thở, trong đó pullulan có thể chiếm đến 90% Lớp

vỏ bọc bên ngoài các sản phẩm dạng viên có tỷ lệ pullulan là 2% Pullulan làm vỏ bao bên ngoài viên nén giúp giảm thiểu hư hỏng do gãy vỡ trong quá trình vận chuyển và phân phối

Hình 25: Đồ thị biểu diễn phần trăm viên nén bị vỡ khi có sử dụng và không sử dụng pullulan.