Nghiên cứu xác lập điều khiển và giải pháp công nghệ tối ưu cho quá trình thủy phân protein bã nấm men bia nhằm ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

 Mục tiêu cụ thể Xác định được các thông số của quá trình tiền xử lý nguyên liệu bã nấm men bia của Việt Nam, thiết lập hệ thống thiết bị và lựa chọn các chế phẩm protease thương mại,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THANH NGỌC

NGHIÊN CỨU XÁC LẬP ĐIỀU KIỆN VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ TỐI ƯU CHO QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN PROTEIN BÃ NẤM MEN BIA NHẰM ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Hà Nội – 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THANH NGỌC

NGHIÊN CỨU XÁC LẬP ĐIỀU KIỆN VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ TỐI ƯU CHO QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN PROTEIN BÃ NẤM MEN BIA NHẰM ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm

Mã số: 62540101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS TS ĐINH VĂN THUẬN

2 PGS.TS QUẢN LÊ HÀ

Hà Nội – 2017

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện nghiên cứu tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp

ý kiến và chỉ bảo tận tình của các thầy cô, đồng nghiệp và các cơ quan

Trước hết tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới GS TS Đinh Văn Thuận, Công ty TNHH cơ nhiệt điện lạnh Bách Khoa – Tập đoàn Polyco và PGS TS Quản Lê Hà, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

để hoàn thành bản luận án này

Tôi xin cảm ơn tới các thầy cô giáo thuộc Viện Công nghệ sinh học – Công nghệ thực phẩm, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và góp ý cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập và nghiên cứu

Nhân dịp này cho tôi gửi lời cảm ơn tới ban lãnh đạo Công ty TNHH cơ nhiệt điện lạnh Bách Khoa – Tập đoàn Polyco và các bạn bè đồng nghiệp đã hết sức giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ là chủ tịch hội đồng, phản biện, thư

ký và ủy viên hội đồng đã dành thời gian quý báu để đọc tham gia hội đồng chấm luận án với những góp ý cụ thể, những gợi ý bổ ích, giúp tôi hoàn thiện tốt hơn các nội dung nghiên cứu của luận án

Tôi cũng vô cùng cảm ơn sự khích lệ, động viên và giúp đỡ hết sức nhiệt tình của gia đình và bè bạn, những người luôn động viên và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Thanh Ngọc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Một số số liệu đã được đăng trên các tạp chí khoa học chuyên ngành trong: “ Danh mục các công trình khoa học đã công bố có liên quan đến luận án”, đã được sự đồng ý cho phép sử dụng các số liệu của các đồng tác giả Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng yêu cầu

PGS TS Quản Lê Hà

Tác giả

Nguyễn Thị Thanh Ngọc

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ BÃ NẤM MEN BIA 4

1.1.1 Nấm men sử dụng trong sản xuất bia 4

1.1.2 Thành phần hóa học của bã nấm men bia 4

1.1.3 Thành phần bất lợi của bã nấm men bia 6

1.1.4 Tình hình tận thu bã nấm men bia 7

1.2 TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẢM THỦY PHÂN PROTEIN 8

1.2.1 Ứng dụng của sản phẩm thủy phân protein 8

1.2.2 Hàm lượng acid amin trong sản phẩm thủy phân protein 10

1.2.3 Nguyên nhân gây đắng của sản phẩm thủy phân protein 11

1.3 TÁC NHÂN VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN PROTEIN 13

1.3.1 Tác nhân thủy phân protein 13

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thủy phân và độ đắng của sản phẩm thủy phân 17

1.4 MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO MỨC ĐỘ THỦY PHÂN VÀ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM THỦY PHÂN TỪ BÃ NẤM MEN BIA 22

1.4.1 Xử lý bã nấm men bia 22

1.4.2 Kỹ thuật thủy phân protein bã nấm men bia bằng chế phẩm protease ……… 25

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.1 VẬT LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 33

2.1.1 Vật liệu 33

2.1.2 Chế phẩm protease 33

2.1.3 Hóa chất 33

2.1.4 Thiết bị nghiên cứu 33

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

2.2.1 Điều kiện thích hợp xử lý và thủy phân protein bã nấm men bia 38

2.2.2 Cô đặc sản phẩm thủy phân protein bã nấm men bia 41

2.2.3 Thử nghiệm sản xuất bánh cracker có bổ sung sản phẩm thủy phân ở quy mô công nghiệp 41

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 42

2.3.1 Xác định tỷ lệ tế bào sống sót của bã nấm men bia 42

2.3.2 Xác định độ ẩm bã nấm men bia và sản phẩm thủy phân sau cô đặc 42 2.3.3 Xác định nồng độ chất khô của sản phẩm thủy phân sau cô đặc 42

2.3.4 Xác định độ tro của bã nấm men bia và sản phẩm thủy phân sau cô đặc

42

2.3.5 Xác định chỉ tiêu vi sinh của sản phẩm thủy phân sau cô đặc 42

2.3.6 Xác định độ đắng BU của bã nấm men bia sau quá trình rửa 42

2.3.7 Xác định hàm lượng protein bằng phương pháp Kjelhdal 43

2.3.8 Xác định hàm lượng acid amin theo phương pháp Ninhydrin 43

2.3.9 Xác định thành phần acid amin theo phương pháp sắc ký lỏng cao áp (HPLC) 43

2.3.10 Đánh giá hiệu quả phá vỡ tế bào bã nấm men bia 44

2.3.11 Xác định hàm lượng acid nucleic trong các mẫu sản phẩm thủy phân 44

2.4 PHƯƠNG PHÁP CẢM QUAN 45

2.4.1 Đánh giá độ đắng của sản phẩm thủy phân theo phương pháp cảm quan cho điểm 45

2.4.2 Đánh giá cảm quan mẫu bánh cracker 46

2.5 PHƯƠNG PHÁP TOÁN HỌC 47

2.5.1 Tính toán mức độ thủy phân 47

2.5.2 Tối ưu hóa quá trình thủy phân protein bã nấm men bia 47

2.6 PHÂN TÍCH THỐNG KÊ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 48

2.6.1 Xử lý số liệu điểm đắng trong cảm quan độ đắng sản phẩm thủy phân 48

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

3.1 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÁC ĐIỀU KIỆN THÍCH HỢP ĐỂ XỬ LÝ VÀ THỦY PHÂN PROTEIN BÃ NẤM MEN BIA. 49

3.1.1 Xử lý bã nấm men bằng NaOH 49

3.1.2 Điều kiện thích hợp để thủy phân protein bã nấm men bia 51

3.1.3 Đánh giá hiệu quả áp dụng của các giải pháp nâng cao mức độ thủy phân và giảm độ đắng của sản phẩm thủy phân 65

3.2 TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN PROTEIN BÃ NẤM MEN BIA BẰNG HỖN HỢP HAI CHẾ PHẨM FLAVOURZYME VÀ ALCALASE 68

3.2.1 Tối ưu hóa quá trình thủy phân gián đoạn 68

3.2.2 Tối ưu hóa quá trình thủy phân chảy tràn liên tục 73

3.2.3 Tối ưu hóa quá trình thủy phân tuần hoàn liên tục 79

3.3 TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM THỦY PHÂN PROTEIN BÃ NẤM MEN BIA 86

3.3.1 Kết quả xác định thành phần acid amin trong các mẫu sản phẩm thủy phân bằng phương pháp HPLC 86

3.3.2 So sánh chất lượng sản phẩm thủy phân với một số sản phẩm nghiên

cứu khác và sản phẩm thương mại 91

3.3.3 Kết quả phân tích hàm lượng acid nucleic trong các mẫu sản phẩm thủy phân nghiên cứu 95

3.4 ỨNG DỤNG SẢN PHẨM THỦY PHÂN TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM 98

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Chú thích (tiếng việt)

BT Độ đắng cảm quan qua quinine

BU Độ đắng do axit đắng của hoa houblon gây ra

CTLT Chảy tràn liên tục

DH Mức độ thủy phân

DYH Sản phẩm thủy phân dạng khô

EBC Tiêu chuẩn hiệp hội bia Châu Âu

HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao

KNPU-S/g Đơn vị hoạt độ protease

KPH Không phát hiện

LAPU Đơn vị hoạt độ protease

OPA o-phthalaldehyde (C6H4(CHO)2

PTU Phenylthiourea

RO Màng lọc thẩm thấu ngược

SEM Kính hiển vi điện tử quét

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua

THLT Tuần hoàn liên tục

WYE Chiết xuất nấm men dạng ướt

WYH Sản phẩm thủy phân dạng ướt

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý quá trình thủy phân liên tục protein đậu nành 26

Hình 1.2 Sơ đồ dây chuyền sản xuất sản phẩm chiết xuất nấm men quy mô công nghiệp 27

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý và thiết bị thực nghiệm thủy phân gián đoạn 34

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển thủy phân chảy tràn liên tục 35

Hình 2.3 Hệ thống thực nghiệm thủy phân chảy tràn liên tục 36

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển thủy phân tuần hoàn liên tục 36

Hình 2.5 Hệ thống thực nghiệm thủy phân tuần hoàn liên tục 38

Hình 2.6 Đồ thị đường chuẩn của quinine 45

Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian rửa đến độ đắng của nước rửa (a) và tỷ lệ sống sót của tế bào (b) 49

Hình 3.2 Độ đắng của nước rửa bã nấm men bia 50

Hình 3.3 Ảnh hưởng của pH đến DH (a) và BT (b) trong quá trình thủy phân protein bã nấm men bia bằng 3 chế phẩm protease 52

Hình 3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến DH (a) và BT (b) trong quá trình thủy phân protein bã nấm men bia bằng 3 chế phẩm protease 53

Hình 3.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ bã nấm men bia/nước đến DH và BT của sản phẩm thủy phân 54

Hình 3.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ E/S đến DH và BT của Flavourzyme (a) và Alcalase (b) 55

Hình 3.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ E/S của hỗn hợp Alcalase + Flavourzyme đến DH và BT 57

Hình 3.8 Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ thủy phân đến DH và BT 57

Hình 3.9 Khảo sát diễn biến của DH (a) và BT (b) theo thời gian thủy phân…58 Hình 3.10 Hình ảnh chụp TEM tế bào bã nấm men bia ban đầu (a), sốc nhiệt (b) và siêu âm (2 phút) (c) sau đó thủy phân 61

Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian tự phân đến mức độ thủy phân và độ đắng của SPTP 62

Hình 3.12 Hình ảnh chụp TEM tế bào của (a) mẫu A24, (b) mẫu H12 và (c) mẫu A24H12 63

Hình 3.13 Sự biến thiên của DH (a) và BT (b) theo thời gian bằng ba kỹ thuật thủy phân 66

Hình 3.14 Ảnh hưởng của giải pháp sốc nhiệt + tự phân (bằng kỹ thuật CTLT và THLT) trước quá trình thủy phân đến DH (a) và BT(b) 67

Hình 3.15 Ảnh hưởng của các yếu tố đến mức độ thủy phân (a) và độ đắng của sản phẩm thủy phân (b) bằng kỹ thuật thủy phân gián đoạn 71

Hình 3.16 Bề mặt đáp ứng của nhiệt độ và pH đến mức độ thủy phân gián đoạn (a) và độ đắng của sản phẩm thủy phân (b) 72

Hình 3.17 Mức độ đáp ứng sự mong đợi của quá trình thủy phân gián đoạn 72

Hình 3.18 Ảnh hưởng của các yếu tố đến mức độ thủy phân (a) và độ đắng của sản phẩm thủy phân (b) bằng kỹ thuật thủy phân chảy tràn liên tục 76

Hình 3.19 Bề mặt đáp ứng của nhiệt độ và pH đến DH (a) và BT của SPTP (b)

bằng kỹ thuật thủy phân chảy tràn liên tục 77

Hình 3.20 Mức độ đáp ứng sự mong đợi của quá trình thủy phân chảy tràn liên

tục 77

Hình 3.21 Ảnh hưởng của các yếu tố đến DH (a) và BT của SPTP (b) bằng kỹ

thuật thủy phân tuần hoàn liên tục 82

Hình 3.22 Bề mặt đáp ứng của nhiệt độ và pH đến DH (a) và BT của SPTP (b) bằng

kỹ thuật thủy phân tuần hoàn liên tục 82

Hình 3.23 Mức độ đáp ứng sự mong đợi của quá trình thủy phân tuần hoàn liên tục

Hình 3.27 Hình ảnh sản phẩm thủy phân đã được cô đặc chân không đến nồng độ

55% (trên hệ thống thủy phân tuần hoàn liên tục) 94

Hình 3.28 Hàm lượng acid nucleic trong sản phẩm thủy phân 97 Hình 3.29 Sản phẩm các mẫu bánh cracker A, B, C 100

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của bã nấm men bia 4

Bảng 1.2 Thành phần vitamin của bã nấm men bia 5

Bảng 1.3 Thành phần nguyên tố vi lượng của bã nấm men bia 5

Bảng 1.4 Một số loại enzyme trong nấm men bia 6

Bảng 1.5 Hàm lượng acid amin trong sản phẩm chiết xuất nấm men và so sánh với protein 10

Bảng 1.6 Đánh giá vị cảm quan của các acid amin theo các mức thị hiếu khác nhau 11

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của bã nấm men bia tại nhà máy bia Sài Gòn – Hà Nội 33

Bảng 2.2 Chế độ chạy sắc ký 44

Bảng 2.3 Giá trị mã hóa và giá trị thực nghiệm của các yếu tố (sử dụng cho quá trình thủy phân gián đoạn và chảy tràn liên tục) 47

Bảng 2.4 Giá trị mã hóa và giá trị thực nghiệm của các yếu tố (sử dụng cho quá trình thủy phân tuần hoàn liên tục) 48

Bảng 3.1 Độ đắng (BU) của nước rửa và tỷ lệ sống sót của tế bào (%) ở lần rửa 3 và 4 50

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của quá trình sốc nhiệt đến DH, BT và ST 60

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến DH, BT và ST 60

Bảng 3.4 Kết quả so sánh về mức độ thủy phân, độ đắng của H12 và A24 63

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến mức độ thủy phân và độ đắng của sản phẩm thủy phân 64

Bảng 3.6 Kết quả DH và BT của SPTP bằng kỹ thuật ba thủy phân (có và không có giải pháp sốc nhiệt + tự phân) 65

Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm tối ưu hóa quá trình thủy phân gián đoạn 69

Bảng 3.8 Kết quả phân tích phương sai tối ưu tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng 70 Bảng 3.9 Kết quả phân tích sự tương thích của mô hình với thực nghiệm 70

Bảng 3.10 Kết quả DH và BT trước và sau khi tối ưu quá trình thủy phân gián đoạn 73

Bảng 3.11 Kết quả thí nghiệm tối ưu hóa quá trình thủy phân chảy tràn liên tục 74 Bảng 3.12 Kết quả phân tích phương sai tối ưu tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng cho quá trình thủy phân chảy tràn liên tục 75

Bảng 3.13 Kết quả phân tích sự tương thích của mô hình với thực nghiệm cho quá trình thủy phân chảy tràn liên tục 75

Bảng 3.14 Kết quả DH và BT trước và sau khi tối ưu quá trình thủy phân chảy tràn liên tục 78

Bảng 3.15 Kết quả điều kiện tối ưu của kỹ thuật thủy phân gián đoạn và chảy tràn liên tục 78

Bảng 3.16 Kết quả thí nghiệm tối ưu hóa quá trình thủy phân tuần hoàn liên tục 79 Bảng 3.17 Kết quả phân tích phương sai tối ưu tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng cho quá trình thủy phân tuần hoàn liên tục 80

Bảng 3.18 Kết quả phân tích sự tương thích của mô hình với thực nghiệm cho quá

trình thủy phân tuần hoàn liên tục 81

Bảng 3.19 Kết quả DH và BT trước và sau khi tối ưu quá trình thủy phân tuần hoàn

liên tục 83

Bảng 3.20 Kết quả điều kiện tối ưu của kỹ thuật thủy phân gián đoạn, chảy tràn

liên tục và tuần hoàn liên tục 84

Bảng 3.21 Thành phần một số acid amin trong sản phẩm thủy phân bằng chế phẩm

protease 86

Bảng 3.22 Thành phần một số acid amin trong sản phẩm thủy phân bằng ba kỹ thuật

thủy phân 88

Bảng 3.23 Thành phần một số acid amin trong SPTP bằng kỹ thuật thủy phân LTCT

và THLT (giai đoạn tự phân gián đoạn và liên tục) 89

Bảng 3.24 Thành phần một số acid amin trong SPTP bằng ba kỹ thuật thủy phân (ở

điều kiện tối ưu) 90

Bảng 3.25 So sánh kết quả xác định thành phần một số acid amin trong SPTP của

luận án và nghiên cứu tham khảo 92

Bảng 3.26 Kết quả phân tích thành phần của các sản phẩm thủy phân bằng các kỹ

thuật thủy phân 93

Bảng 3.27 Đánh giá chất lượng của SPTP bằng kỹ thuật tuần hoàn liên tục với sản

phẩm chiết xuất nấm men thương mại 94

Bảng 3.28 Kết quả phân tích hàm lượng kim loại và VTM của sản phẩm thủy phân

bằng kỹ thuật tuần hoàn liên tục 95

Bảng 3.29 Hàm lượng acid nucleic trong các mẫu sản phẩm thủy phân 96 Bảng 3.30 Hàm lượng acid nucleic trong SPTP (khi bổ sung ba loại SPTP bằng các

MỞ ĐẦU

Từ cuối thế kỷ 19, sản phẩm thủy phân protein được sử dụng như là thực phẩm hàng ngày ở Châu Âu Vào những năm 1930 – 1940, sản phẩm thủy phân được ứng dụng bổ sung trong sản xuất sản phẩm thực phẩm như súp và các loại nước sốt Từ năm 1950, sản phẩm thủy phân protein được sử dụng rộng rãi như là nguồn nitơ dễ hấp thu cho nhu cầu dinh dưỡng đặc biệt, như ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm dinh dưỡng, chức năng cho người bệnh, người già và trẻ em Những năm gần đây, sản phẩm thủy phân được nghiên cứu ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm dinh dưỡng cho người chơi thể thao, người ăn kiêng, bệnh nhân ung thư Nguồn nguyên liệu để sản xuất sản phẩm thủy phân chủ yếu từ sinh khối nấm men, phế liệu ngành thủy sản (như đầu cá, tôm ) và bã nấm men từ ngành công nghiệp rượu, bia [59] Đặc biệt, bã nấm men bia là một nguồn nguyên liệu dồi dào giàu protein, chiếm 51-58% lượng chất khô và tỷ lệ acid amin cân đối với đầy đủ các loại acid amin cần thiết Tuy nhiên, bã nấm men bia chưa được khai thác và sử dụng hợp lý ở nước ta, chủ yếu được sấy thành dạng bột khô hoặc sử dụng bã nấm men ướt làm thức ăn chăn nuôi với hệ số tiêu hóa thấp

Hiện nay, với việc gia tăng dân số trên thế giới và điều kiện kinh tế phát triển, nhu cầu sử dụng bia và các loại nước giải khát lên men tăng nhanh không chỉ ở các nước phát triển mà cả ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam Theo thống kê của Bộ Công Thương, năm 2016, Việt Nam tiêu thụ hơn 3,7 tỷ lít bia Theo quy hoạch phát triển ngành bia, rượu, nước giải khát Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến 2035 được Bộ Công Thương phê duyệt hồi tháng 9 năm 2016, mục tiêu đặt ra của ngành này là sản xuất được 4,1 tỷ lít bia trong vòng 4 năm tới và sẽ tăng lên 4,6 tỷ lít bia vào năm 2025; 5,6 tỷ lít năm 2035 Như vậy, trong 2 thập kỉ tới, lượng bia sản xuất sẽ tăng gấp rưỡi so với con số 3,7 tỷ lít năm 2016 Với sản lượng bia như đã nêu trên, hàng năm lượng bã nấm men bia thải ra là rất lớn, ước tính trên 45.000 tấn men ướt/năm, tương ứng khoảng trên 5.000 tấn protein/năm (với thủy phần bã nấm men là 80%) Nếu sử dụng hợp lý, bã nấm men bia sẽ là nguồn protein có giá trị trong công nghiệp thực phẩm, chế biến thức ăn chăn nuôi đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Để tăng hiệu quả sử dụng của bã nấm men bia, người ta thường thủy phân protein bã nấm men bia Tuy nhiên, các kỹ thuật thủy phân protein bã nấm men bia mới dừng ở phương pháp thủy phân gián đoạn hay quá trình tự phân Trong điều kiện đó, mức độ thủy phân không cao và chất lượng sản phẩm thủy phân còn hạn chế bởi vị đắng Để khắc phục các nhược điểm đã nêu ở trên nhằm tăng giá trị sử dụng nguồn protein từ bã nấm men bia, tạo ra

sản phẩm ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, thì việc nghiên cứu sử dụng công nghệ và thiết bị hiện đại và các chế phẩm protease với hoạt độ và độ đặc hiệu cao là rất cần thiết Do

đó, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu xác lập điều kiện và giải pháp công nghệ tối ưu cho quá trình thủy phân protein bã nấm men bia nhằm ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm”

Mục tiêu của luận án

 Mục tiêu chung

Xác lập được điều kiện và giải pháp công nghệ tối ưu cho quá trình thủy phân protein

bã nấm men bia đạt mức độ thủy phân cao và độ đắng của sản phẩm thủy phân thấp nhằm

bổ sung vào một số sản phẩm thực phẩm

 Mục tiêu cụ thể

Xác định được các thông số của quá trình tiền xử lý nguyên liệu bã nấm men bia của Việt Nam, thiết lập hệ thống thiết bị và lựa chọn các chế phẩm protease thương mại, tối ưu cho quá trình thủy phân bởi protease trong hệ thống thiết bị gián đoạn, chảy tràn liên tục và tuần hoàn liên tục và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố trên lên chất lượng sản phẩm thủy phân như mức độ thủy phân, độ đắng và hàm lượng acid nucleic, sử dụng chế phẩm protease thương mại phổ biến trên thị trường nhằm tạo ra sản phẩm thủy phân protein bã nấm men bia có chất lượng phù hợp với nhu cầu sử dụng trong công nghiệp thực phẩm

Nội dung nghiên cứu của luận án

Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án thực hiện các nội dung nghiên cứu sau đây:

 Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện thích hợp để xử lý và thủy phân protein bã nấm men bia

- Nghiên cứu điều kiện xử lý bã nấm men bia bằng NaOH

- Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện thích hợp để thủy phân protein bã nấm men bia: Lựa chọn chế phẩm protease, các yếu tố thủy phân, một số giải pháp nhằm nâng cao mức độ thủy phân và giảm độ đắng của sản phẩm thủy phân

- Thủy phân protein bã nấm men bia theo các kỹ thuật thủy phân gián đoạn, chảy tràn liên tục và tuần hoàn liên tục nhằm mục đích lựa chọn điều kiện thủy phân thích hợp khi áp dụng giai đoạn sốc nhiệt và tự phân trước quá trình thủy phân bằng chế phẩm enzyme

 Tối ưu hóa quá trình thủy phân protein bã nấm men bia

- Tối ưu hóa quá trình thủy phân gián đoạn

- Tối ưu hóa quá trình thủy phân chảy tràn liên tục

- Tối ưu hóa quá trình thủy phân tuần hoàn liên tục

 Đánh giá chất lượng sản phẩm thủy phân protein bã nấm men bia

 Ứng dụng sản phẩm thủy phân trong công nghệ sản xuất bánh cracker

Ý nghĩa khoa học, những đóng góp mới và thực tiễn của luận án

 Đóng góp mới của đề tài:

- Đã minh chứng được bằng thực nghiệm quá trình thủy phân protein bã nấm men bia trong một thiết bị có thể tích nhất định thì mức độ thủy phân thấp hơn so với hệ thống nhiều thiết

bị mắc nối tiếp có tổng thể tích bằng thể tích của thiết bị đơn lẻ

- Đã xác định được vai trò của các công đoạn: Tách acid đắng của hoa houblon, tiền xử lý sốc nhiệt và tự phân, sử dụng phối hợp hai loại chế phẩm protease Flavourzyme và Alcalase

và hệ thống thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả thủy phân và ảnh hưởng của các yếu tố đến thành phần acid min, độ đắng cảm quan qua quinine (BT) và nồng độ acid nucleic trong sản phẩm thủy phân là cơ sở để phát triển công nghệ thu nhận sản phẩm thủy phân bã nấm men bia, làm tăng giá trị sử dụng trong công nghiệp thực phẩm góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong công nghiệp sản xuất rượu bia ở Việt Nam

 Ý nghĩa thực tiễn:

- Đã đưa ra giải pháp tối ưu thủy phân protein bã nấm men bia cho các nhà máy bia Việt Nam, nhằm nâng cao giá trị gia tăng của bã nấm men bia và giảm thiểu tác hại gây ô nhiễm môi trường trong ngành công nghiệp sản xuất bia

- Đã đề xuất một giải pháp khả thi ứng dụng sản phẩm thủy phân để làm bánh mặn cracker,

mở ra khả năng có thể sử dụng vào các sản phẩm thực phẩm khác, làm tăng giá trị dinh dưỡng và cảm quan cho sản phẩm thực phẩm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1.1 Nấm men sử dụng trong sản xuất bia

Nấm men sử dụng trong sản xuất bia thường được chia làm hai loại: Nấm men chìm và nấm men nổi [9, 12, 58] Nấm men chìm có thể sử dụng hoàn toàn đường raffinoza trong khi

đó nấm men nổi chỉ sử dụng được 1/3 đường này [5, 12, 15] Nấm men chìm được sử dụng

trong sản xuất bia lager, thường là Saccharomyces pastorianus hoặc Saccharomyces

carlsbergensis, với điều kiện lên men ở nhiệt độ 8 – 150C trong các bồn hình trụ đáy côn

[32], nấm men nổi Saccharomyces cerevisiae được sử dụng trong quá trình sản xuất bia ale,

với nhiệt độ lên men 16 -250C Trong sản xuất bia, nấm men được sử dụng đến đời thứ sáu thì xả bỏ, được gọi là bã nấm men bia, là nguồn chất thải rắn lớn thứ hai sau bã malt Tuy là nguồn chất rắn thải nhưng bã nấm men bia được coi là một nguồn cung cấp protein cho ngành công nghiệp thực phẩm [122]

1.1.2 Thành phần hóa học của bã nấm men bia

Đã có nhiều nghiên cứu phân tích thành phần hóa học của bã nấm men bia ở dạng tươi

và khô Bã nấm men bia có thành phần chủ yếu là protein, gluxit, lipit, chất hòa tan không chứa nitơ, chất tro (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của bã nấm men bia

bố cho thấy trong thành phần protein bã nấm men bia có đầy đủ các acid amin và đặc biệt là acid amin không thay thế [22, 71, 135, 144] Chất béo trong bã nấm men bia có các acid oleic, linoelic, palmitic và có tới 30 – 40 % phosphatit [ 37, 122, 144] Thành phần tro trong

bã nấm men bia có các oxyt như (%): P2O5 25 ÷ 60; CaO – 1 ÷ 8; MgO – 4 ÷ 6; Na2O – 0,5

÷ 2; SO3 – 0,5 ÷ 6; SiO2 – 1 ÷ 2; Fe2O3 – 0,05 ÷ 0,7 [86, 139, 144] Rõ ràng là, bã nấm men

bia là nguồn nguyên liệu có giá trị cho sản xuất các sản phẩm cao đạm, có khả năng ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Ngoài ra, bã nấm men bia rất giàu vitamin nhóm B, theo số liệu tổng hợp của một số nghiên cứu ở Bảng 1.2 cho thấy hàm lượng vitamin B5 chứa nhiều nhất Tất cả các vitamin nhóm B là nguồn nguyên liệu giá trị cho chế biến một số sản phẩm chức năng

Bảng 1.2 Thành phần vitamin của bã nấm men bia

Bã nấm men bia khô

từ bã nấm men bia, quá trình tự phân được thực hiện để tận dụng nguồn enzyme nội bào

Bảng 1.4 Một số loại enzyme trong nấm men bia

tham khảo

[12]

p-nitrophenyl-  -glucosit, melezittoza

p-nitrophenyl-  -glucosit

-galactosit

thành etylic

Protease serine, protease aspartyl,

[76, 103]

1.1.3 Thành phần bất lợi của bã nấm men bia

Với giá trị dinh dưỡng protein cao, hàm lượng vitamin nhóm B, các nguyên tố vi lượng

và loại enzyme đa dạng, nhưng bã nấm men bia còn tồn tại một số nhược điểm sau:

Thành tế bào nấm men dày, khoảng 25 nm [82, 120], chiếm khoảng 25-30% khối lượng khô tế bào, chứa chủ yếu là β- glucan và mannan, còn lại là protein, lipid và một lượng rất nhỏ chitin Do đó, khi cho gia súc ăn trực tiếp, hệ số sử dụng bã nấm men bia thấp, thủy phân

tế bào nấm men bia là cần thiết nhằm nâng cao mức độ thủy phân [58]

Thứ hai, bã nấm men bia có hàm lượng acid nucleic cao, chứa khoảng 6 - 10 g/100g protein của nấm men Cặn của acid nucleic có thể giữ trong thận, trong khớp, bàng quang và gây ra bệnh gút Trong trường hợp sử dụng quá 130g nấm men/ngày, kéo dài 1 tuần, acid uric trong máu sẽ tăng 4,8 – 8,3 mg/100g và lượng acid nucleic tăng gấp đôi trong nước tiểu Theo khuyến cáo, giới hạn acid nucleic cho phép 2g/người/ngày [11]

Để sản phẩm thủy phân từ bã nấm men bia được ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, độ đắng của bã nấm men bia là nhược điểm tồn tại cuối cùng cần phải quan tâm Độ đắng này là do các chất nhựa đắng trong hoa houblon bám trên bề mặt tế bào bã nấm men bia [133] Theo Briggs và cộng sự hoa houblon chứa 15 – 21% nhựa đắng tính theo chất khô của hoa, trong đó có các chất nhựa mềm tan trong hexan chiếm 90%, còn lại là các chất nhựa cứng tan trong este và methanol Thành phần chính của nhựa mềm là các α và β-acid đắng

và các chất nhựa mềm khác Các α và β-acid đắng có thể được coi như là các đồng phân hỗ biến, sự chuyển từ dạng cấu trúc này sang cấu trúc khác diễn ra rất nhanh Các acid này ít tan trong nước Ở 25oC độ tan của humulon là 6mg/l, của lupulon là 1,5 mg/l, độ tan tăng

lên theo nhiệt độ Do đó, cần có giải pháp loại bỏ hoặc giảm đến mức tối đa độ đắng của hoa houblon trong bã nấm men bia

1.1.4 Tình hình tận thu bã nấm men bia

Theo điều tra của Huige, trên thế giới, bã nấm men bia được thu gom sau quá trình lên men phụ trong sản xuất bia, khoảng 1,5 đến 3 kg bã nấm men/hl bia [18, 57, 58] Trong khi

đó, việc ứng dụng chưa được tận dụng hiệu quả so với thành phần giá trị dinh dưỡng của chúng [59] Trong khi đó, tại Việt Nam, với tốc độ phát triển nhanh của ngành công nghiệp sản xuất bia, lượng bã nấm men bia lớn Phần lớn lượng bã nấm men bia này được bán cho các hộ gia đình chăn nuôi làm thức ăn thô cho tôm, cá và các loại gia súc, gia cầm Tuy nhiên, việc sử dụng như vậy không những không tận dụng triệt để nguồn dinh dưỡng quý giá có trong bã nấm men bia mà còn gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là các hộ nuôi tôm

cá Nếu bã nấm men bia chưa xử lý nhiệt trước khi dùng trực tiếp để chăn nuôi tôm cá, tế bào nấm men vẫn tiếp tục hoạt động tạo ra các sản phẩm trao đổi chất không có lợi cho môi trường sinh sống của tôm cá Về lâu dài, điều này sẽ ức chế sự phát triển của tôm cá đồng thời gây ra sự ô nhiễm môi trường Do đó, nhiều nước trên Thế giới (Đức, Pháp, Mỹ Nhật…)

đã nghiên cứu tận thu nguồn bã nấm men bia trong sản xuất thức ăn chăn nuôi như theo Ferreira và cộng sự bã nấm men bia là nguồn dinh dưỡng (trong chăn nuôi, cho con người, sản phẩm tự phân và thủy phân, nuôi cấy vi sinh vật); là các loại thực phẩm chức năng (trong sản xuất các loại đồ uống lên men, các chất tăng mùi vị, β – glucan, các loại enzyme [28, 31, 50])

1.1.4.1 Trong sản xuất thức ăn chăn nuôi

Nghiên cứu của Oliva – Teles và Rumsey cho thấy bã nấm men bia sấy khô có thể thay thế 50% hàm lượng protein bột cá để làm thức ăn chăn nuôi Một số sản phẩm thương mại có bổ sung bã nấm men sấy khô trong chăn nuôi như: GroBiotic – A và GroBioticR[87] Ngoài ra, trong chăn nuôi cá, bã nấm men bia chứa β – glucan ở thành tế bào, acid nucleic, oliosaccharides là những chất có khả năng tăng cường hệ miễn dịch, chống nhiễm

trùng gây ra bởi vi khuẩn Streptococcus [135] Một số nghiên cứu sử dụng bã nấm men bia

trong công nghiệp chế biến thực phẩm và thức ăn gia súc [21]

1.1.4.2 Trong sản xuất sản phẩm chiết xuất nấm men và sản phẩm thủy phân

Chiết xuất nấm men được sản xuất bằng các phương pháp như tự phân hay thủy phân bằng các chế phẩm protease Một số sản phẩm chiết xuất nấm men thương mại có tỷ lệ nitơ trong chiết xuất nấm men như sau: Meridian là 48,6%; sản phẩm Vegemite (hãng Kraft ) là 28,3% và Aussiemite là 10% Một số công ty khác cũng tận thu bã nấm men bia để sản xuất chiết xuất nấm men như: Công ty Nippon (Nhật) với tên thương mại là HU, HUP-2 HUAP; Fould – Springer (Pháp); Gist – Brocades (Newzealand)

1.1.4.3 Trong sản xuất dược phẩm

Theo Thammakiti và Zechner – Krpan, β – glucan trong thành tế bào bã nấm men bia được tách chiết để ứng dụng sản xuất thực phẩm chống mỡ máu β–glucan là hỗn hợp sinh học tự nhiên bao gồm β 1-3, 1- 6 glucan và manan oligosaccharide được chiết xuất từ thành

tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae β–glucan giúp kích thích hệ thống miễn dịch tự

nhiên, tăng cường hoạt động của các đại thực bào và kích thích tiết nhiều cytokines (chất hoạt hoá tế bào) nhằm tiêu diệt các mầm bệnh xâm nhập từ bên ngoài Vì vậy, β-glucan đã được ứng dụng để bào chế các loại thuốc chữa vết thương, thuốc chống u bướu [74] β–glucan giúp giảm hệ số chuyển đổi thức ăn, kích thích tiêu hoá, phòng các bệnh đường ruột, nhiễm trùng do vi khuẩn, virut, làm giảm cholesterol trong máu β–glucan là giải pháp thay thế kháng sinh trong phòng trị bệnh vật nuôi an toàn và hiệu quả β–glucan chịu được nhiệt

độ 1200C nên có thể dùng làm thức ăn ép viên Hiện nay, trên thị trường có một số sản phẩm

từ nấm men bia như: BETA GLUCAN 25, BETA GLUCAN 40, sản phẩm chứa 25 % β 1 – 3 và 1 –

6 –glucan

Bã nấm men bia còn được tận thu để sản xuất các thực phẩm bổ sung B complex Mỗi viên cung cấp đầy đủ 7 loại vitamin B từ tự nhiên (B1, B2, B3, B5, B6, axit folic và B12) cần thiết cho cả phụ nữ và nam giới [58]

1.1.4.5 Một số xu hướng khác

Xu hướng hiện nay, bã nấm men bia được sử dụng để sản xuất enzyme protease, bao gồm protease serine, protease aspartyl, metallo protease và các pectinases khác Đề tài nghiên cứu sản xuất pectinases từ bã nấm men bia đã được báo cáo thành công ứng dụng của pectinases trong sản xuất nước dứa [56] Bên cạnh đó, bã nấm men bia được thực hiện nghiên cứu tách enzyme pectic và ứng dụng trong sản xuất nước ép đu đủ [52] Một số nghiên cứu khác trong nước đã thực hiện quá trình tự phân bã nấm men bia để thu nhận chế phẩm

Investase [8] hay nghiên cứu thu nhận enzyme Superoxit dismutaza theo công nghệ nghiền

tế bào nấm men [19]

1.2.1 Ứng dụng của sản phẩm thủy phân protein

Sản phẩm thủy phân protein bã nấm men bia có nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, ngành dược, chăn nuôi và làm môi trường nuôi cấy Dựa vào đặc tính chức năng của sản phẩm thủy phân để lựa chọn cho các mục tiêu ứng dụng Ví dụ như độ thẩm thấu của sản phẩm thủy phân là quan trọng trong các sản phẩm công thức dinh dưỡng cho người già và trẻ sơ sinh (chủ yếu tác dụng đường tiêu hóa), sản phẩm thực phẩm cho các vận động viên thể thao [44, 118] Trong khi đó, đặc tính nhũ hóa của sản phẩm thủy phân được ứng dụng trong sản xuất sản phẩm dạng nhũ tương Tính hòa tan của sản phẩm thủy phân lại được ứng dụng trong công nghệ đồ uống và thực phẩm [46] Nghiên cứu của Seo và cộng sự

đã đề cập đến việc sử dụng protease để sản xuất sản phẩm thuỷ phân protein và được ứng

dụng rộng rãi trong sản xuất nước giải khát, thức ăn kiêng, xì dầu, điều chế các sản phẩm thuỷ phân ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm dinh dưỡng, chất tăng vị trong thực phẩm,

bổ sung vào thức ăn gia súc,…hoặc các sản phẩm thuỷ phân protein chứa các peptide chống tăng huyết áp, làm giảm đau, kích thích miễn dịch, peptide tăng khả năng hấp thụ canxi Trên thị trường, sản phẩm thủy phân bã nấm men được xếp vào nhóm protein thủy phân thực vật,

là phụ gia được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp gia vị sau mì chính [58] Sản phẩm thủy phân bã nấm men có vai trò quan trọng, không những phục vụ cho mục đích nâng cao sức khỏe của con người mà còn là nguồn nguyên liệu thiết yếu trong ngành công nghệ sinh học và thực phẩm Tại Nhật Bản, sản phẩm thủy phân được bổ sung vào các sản phẩm mì ống, bánh mì, bánh nướng làm tăng hàm lượng protein trong sản phẩm hoặc được cô đặc thành các viên đạm, sử dụng để nấu các bữa ăn nhanh hay như các chất gia vị được chế biến sẵn có nhiều tiện ích như tiết kiệm được thời gian, tái tạo năng lượng nhanh, tránh béo phì [18] Do đó, trong thực tế, sản phẩm thủy phân protein bã nấm men bia đã có những ứng dụng thực tiễn sau:

Trong sản xuất mì gói: Sử dụng dạng bột hoặc dạng sệt để bổ sung vào mì gói, thông thường khoảng từ 1-10% khối lượng gói gia vị, để nước súp ngon hơn, ngọt hơn và giống vị nước xương hơn [58, 122]

Trong sản xuất các sản phẩm của trẻ em: Các bậc cha mẹ thường rất lo lắng cho trẻ em nên thường chọn những loại thực phẩm an toàn tự nhiên cho trẻ em Vì vậy sản phẩm thủy phân

bã nấm men bia, chứa nhiều loại acid amin không thay thế, là lựa chọn hoàn hảo cho tất cả sản phẩm thực phẩm dành cho trẻ em Không những giúp trẻ ăn ngon miệng mà còn là nguồn bổ sung thêm protein an toàn [44, 95]

Trong sản xuất các sản phẩm thịt như xúc xích, thịt ướp muối, dăm bông: Sản phẩm thủy phân có vị ngọt, có thành phần các acid amin tương đối giống thịt bò nên khi sử dụng có thể tăng vị ngon, giảm chi phí sản xuất, tăng giá trị dinh dưỡng của sản phẩm, nồng độ sản phẩm thủy phân bổ sung từ 0,1 – 0,5% [58, 122]

Trong sản xuất snack: Thông thường snack phải bổ sung các vị như thịt heo, thịt gà, thịt nướng… Sử dụng sản phẩm thủy phân bã nấm men bia có thể tạo ra vị ngọt đạm Một số loại sản phẩm thủy phân được bổ sung thêm vị gà, bò, heo nên có thể sử dụng được trực tiếp

để phun lên bánh snack [44, 95]

Sản xuất hạt nêm: Hạt nêm thường được bổ sung sản phẩm thủy phân với thành phần từ 5%, vị ngọt đạm sẽ tăng, sản phẩm thủy phân nấm men được nhà sản xuất đưa vào sẵn các vị

1-gà, heo, bò để dễ dàng sử dụng Một số hãng sản xuất hạt nêm lớn như Knorr, Ajinomoto đều sử dụng nhiều sản phẩm thủy phân [44, 95]

Sản xuất các loại nước sốt: Nước sốt để ướp thịt, cá, chiên, khi nướng hoặc chiên, bổ sung sản phẩm thủy phân có mùi thơm của thịt nướng, làm tăng cường mùi vị của đồ nướng hoặc chiên [58, 122]

Ứng dụng trong đồ chay: Sản phẩm thủy phân protein bã nấm men bia là sản phẩm từ vi sinh vật, hoàn toàn sử dụng được cho đồ chay để tạo vị “ngọt thịt” Không những tạo ra vị ngọt thịt mà còn bổ sung protein rất tốt cho sức khỏe [44, 95]

Ứng dụng trong thực phẩm lên men: Khi sử dụng trong các thực phẩm lên men như dưa muối, cà muối…, với nồng độ bổ sung sản phẩm thủy phân từ 0,5% tới 1% trong quá trình lên men sẽ hỗ trợ các vi sinh vật phát triển mạnh hơn, tăng tốc độ lên men, đồng thời bổ sung thêm vị ngọt đạm cho sản phẩm lên men Sản phẩm lên men điển hình thường sử dụng sản phẩm thủy phân bã nấm men bia và chiết xuất nấm men chính là Kimchi Hàn Quốc [58, 122] hay trong sản xuất hoa quả lên men [109]

Bổ sung vào các sản phẩm bánh: Sản phẩm thủy phân protein bã nấm men bia có thể sử dụng trong tất cả các loại bánh mì, bánh ngọt, bánh mặn, bánh bích quy, bánh cracker… với tỉ lệ 0,1%-0,5% tạo hiệu ứng làm tròn vị và tạo vị ngon đặc trưng của sản phẩm [58, 122] Trong chăn nuôi: Sản phẩm thủy phân protein bã nấm men làm thức ăn cho cá trong nghiên cứu của Ferreira và cộng sự; cho gia súc theo nghiên cứu [86, 121] Nghiên cứu của Nguyễn Thị Hoàng Anh và cộng sự lại đề cập đến ứng dụng sản phẩm thủy phân protein bã nấm men bia làm nguyên liệu thức ăn chăn nuôi

1.2.2 Hàm lượng acid amin trong sản phẩm thủy phân protein

Bảng 1.5 Hàm lượng acid amin trong sản phẩm chiết xuất nấm men và so sánh với protein

Theo nghiên cứu của Shallenberger [116], sản phẩm thủy phân protein gồm chủ yếu

là các acid amin, một số peptide khối lượng phân tử nhỏ Có nhiều loại acid amin trong sản phẩm thủy phân đã được công bố, Bảng 1.5 là thành phần và hàm lượng các loại acid amin trong chiết xuất nấm men

Theo Bảng 1.5, ở từng cột là số liệu tổng hợp từ các tài liệu tham khảo, sản phẩm chiết xuất nấm men với có đầy đủ các loại acid amin với hàm lượng cao So với tiêu chuẩn của FAO/WHO là đạt Trong đó, sản phẩm chiết xuất nấm men từ bã nấm men bia [71, 121, 138] có hàm lượng acid amin lớn hơn so với sản phẩm chiết xuất nấm men từ nấm men bánh

mì [53] hay từ Candida utilis [147]

1.2.3 Nguyên nhân gây đắng của sản phẩm thủy phân protein

Sản phẩm thủy phân protein, trong đó có sản phẩm thủy phân nấm men thường bị hạn chế bởi vị đắng, gây ảnh hưởng đến tính cảm quan của sản phẩm thực phẩm ứng dụng Giải pháp kỹ thuật, cũng như công nghệ để làm giảm độ đắng của sản phẩm thủy phân là vấn đề cần được nghiên cứu và giải quyết Vị đắng trong sản phẩm thủy phân protein thường liên quan tới các acid amin kỵ nước hay các peptide chứa các acid amin kỵ nước ở đầu mạch Đa

số các acid amin dễ hòa tan trong nước và thường không màu, nhiều loại có vị ngọt kiểu đường như glycine, alanine, valine, serine, histidine, tryptophan; một số loại có độ đắng như isoleucine, arginine hoặc không có vị như leucine [62] Độ đắng của sản phẩm thủy phân phụ thuộc vào loại chế phẩm protease sử dụng [64] Theo Adler – Nissen đa số các sản phẩm thủy phân bằng enzyme đều có độ đắng và thay đổi theo mức độ thủy phân Trong khi đó, nghiên cứu của Seo và cộng sự, cho rằng sản phẩm thủy phân bằng Flavourzyme chứa ít peptide đắng Một số nghiên cứu khác đã công bố, độ đắng của sản phẩm thủy phân là do sự hình thành các peptide có khối lượng phân tử nhỏ mà chứa các gốc acid amin kỵ nước [130] Hoặc độ đắng của sản phẩm thủy phân có thể là do tính kỵ nước, cấu trúc không gian, khối lượng phân tử của các peptide [79, 80]

1.2.3.1 Độ đắng của sản phẩm thủy phân gây ra bởi các acid amin kỵ nước

Bảng 1.6 Đánh giá vị cảm quan của các acid amin theo các mức thị hiếu khác nhau

Theo Shallenberger [116]

(Các mức thị hiếu là hài lòng (+), không hài lòng (-), rất không hài lòng (x) và mùi sulfur (S)

Theo Shallenberger acid amin thường có vị chua, ngọt và đắng, tùy dạng tồn tại của chúng ở dạng D- hoặc L-, vị của các loại acid amin, một số acid amin có vị khác nhau khi tồn tại ở dạng D-, L- hoặc D.L- Như leucine có vị ngọt dạng D-, nhưng lại có độ đắng khi chúng tồn tại dạng L-; glutamine lại ngọt ở dạng D- và mặn đắng ở dạng L- (Bảng 1.6) Tuy nhiên, cơ thể con người và động vật chủ yếu tổng hợp các acid amin có dạng đồng phân L Bên cạnh đó, một số nghiên cứu đã công bố độ đắng của sản phẩm thủy phân có liên quan đến hàm lượng các acid amin kỵ nước, bao gồm isoleucine, leucine, arginine, cysteine, methionine, phenylalanine, tryptophan và histidine [55, 75, 106, 112, 130]

1.2.3.2 Độ đắng của sản phẩm thủy phân do một số peptide

Nghiên cứu của Alder – Nissen cho rằng, peptide đắng trong sản phẩm thủy phân không cảm nhận được rõ bằng độ đắng của các acid amin kỵ nước Peptide có độ đắng phụ thuộc lớn vào trình tự sắp xếp của loại acid amin trong phân tử peptide, ví dụ như: peptide Phe – Pro có độ đắng hơn peptide Pro – Phe và Gly – Phe – Pro có độ đắng hơn Phe – Pro – Gly Một số peptide có khối lượng phân tử nhỏ tồn tại trong sản phẩm thủy phân cũng gây độ đắng, vì trong phân tử của chúng có chứa các acid amin có độ đắng hay các acid amin kỵ nước Một số nghiên cứu khác đã công bố độ đắng của peptide dựa vào số lượng gốc acid amin kỵ nước, có khoảng 206 loại peptide có độ đắng, đặc biệt là những peptide có chứa từ

2 – 15 gốc acid amin kỵ nước [106, 130] Điều này là cơ sở khẳng định với những peptide

có giá trị Q (Ney [116]) > 1400 cal/mol và khối lượng phân tử < 6kDa thì có độ đắng và các

peptide có giá trị Q thuộc khoảng Q < 1300 cal/mol và khối lượng phân tử > 6kDa không có

độ đắng [100, 112, 114] Độ đắng của sản phẩm thủy phân phụ thuộc vào khối lượng phân

tử, không phụ thuộc giá trị Q [47] và do cấu trúc không gian của các peptide [79], hoặc các peptide có vị đắng là do có acid amin kỵ nước được gắn ở vị trí liên kết cuối N – hoặc C- [130]

1.2.2.3 Một số phương pháp xác định độ đắng của sản phẩm thủy phân

Độ đắng của sản phẩm thủy phân thường xác định theo phương pháp cảm quan bao gồm phân tích vị hòa tan [89, 115] phân hạng sử dụng thang điểm [92, 102], sử dụng chất chuẩn caffeine [47, 83], sử dụng chất chuẩn quinine [80, 87], thang đường thẳng [23] Phân tích vị đắng bằng cảm quan sử dụng chất chuẩn phenylthiourea bằng kỹ thuật dựa trên sự pha loãng nối tiếp của mẫu, trong đó các ngưỡng vị tương đối của các hợp chất được xác định [60] Phương pháp sử dụng chất chuẩn caffeine hoặc quinine tương tự phương pháp phân hạng sử dụng thang điểm, trong đó panelist được gán với một nồng độ caffein từ một vài mẫu chuẩn được mô tả tốt nhất về độ đắng [70] Trong thang đường thẳng, hội đồng đánh giá cường độ đắng trên một thang đo điểm ngang So sánh với sử dụng chất chuẩn caffeine hay quinine thì phenylthiourea đã không được sử dụng do có độc tính Đa số, các nghiên cứu cảm quan độ đắng của sản phẩm thủy phân đều sử dụng chất chuẩn caffeine hoặc quinine Một số nghiên cứu khác, xác định độ đắng của sản phẩm thủy phân theo phương pháp xác định khối lượng phân tử peptide mà độ đắng của sản phẩm thủy phân còn liên quan đến hàm lượng acid amin kỵ nước [64, 69] Vậy nên, nghiên cứu mối liên hệ giữa độ đắng của sản phẩm thủy phân với hàm lượng acid amin kỵ nước là phù hợp hơn

THỦY PHÂN PROTEIN

1.3.1 Tác nhân thủy phân protein

Tác nhân được sử dụng trong quá trình thủy phân protein thường bao gồm tác nhân hóa học và enzyme, tùy vào từng mục đích sử dụng của sản phẩm thủy phân để lựa chọn tác nhân phù hợp

1.3.1.1 Tác nhân hóa học

a Tác nhân axit

Nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng dung dịch HCl nồng độ 6 – 10 N để thủy phân protein với điều kiện thủy phân 100 – 180oC, thời gian thuỷ phân 24 – 72 giờ [48, 71, 136, 147] Sản phẩm thủy phân được trung hòa bằng dung dịch NaOH hoặc Na2CO3 Phương pháp này cho mức độ thuỷ phân cao từ 85 – 90 %, sản phẩm giàu acid amin và dễ bảo quản [26, 136] Tuy nhiên, thủy phân bằng axit có nhiều nhược điểm do quá trình thủy phân ở nhiệt độ cao và nồng độ axit HCl đặc, một số acid amin bị phá huỷ trong quá trình thuỷ phân Tryptophan bị

phá huỷ hoàn toàn, tổn thất của các acid amin chứa lưu huỳnh lớn (10 – 30%) Các acid amin

bị phân huỷ một phần như threonine, serine, methionine, cysteine Hơn nữa, sử dụng tác nhân axit trong quá trình thủy phân làm tăng chi phí năng lượng và đầu tư thiết bị do phải chịu nhiệt và chống axit ăn mòn, đặc biệt việc sử dụng HCl đặc độc hại và ô nhiễm môi trường [136] Mặt khác, theo nghiên cứu của Huige, khi nồng độ HCl và nhiệt độ cao thường xảy ra phản ứng giữa Cl2 và HCl với chất béo trong tế bào nấm men sinh độc tố monochloropropanol và dichloropropanol là tác nhân gây ung thư [136] Bên cạnh đó, quá trình thủy phân protein bằng axit H2SO4 tạo ra sản phẩm thủy phân có hàm lượng muối thấp hơn so với thuỷ phân bằng HCl [84]

Mỗi một loại chế phẩm protease có tính đặc hiệu riêng, nên sản phẩm thủy phân protein cũng có nhiều chức năng, tùy vào mục đích sử dụng sản phẩm thủy phân để sử dụng loại chế phẩm protease phù hợp [ 40, 143] Với mục đích của luận án này là sản phẩm thủy phân protein bã nấm men bia đạt chất lượng cho ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, nên nhóm nghiên cứu sử dụng tác nhân enzyme để tiến hành thủy phân protein bã nấm men bia

bằng chế phẩm protease Nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu bản chất của enzyme protease, để lựa chọn loại chế phẩm protease cho nghiên cứu

a Enzyme protease

Enzyme protease thuộc nhóm enzyme xúc tác thuỷ phân liên kết peptide (-CO-NH-) trong phân tử protein và các cơ chất tương tự

Người ta phân loại nhóm enzyme này theo nhiều cách khác nhau [2, 11, 12, 17]

Dựa vào vị trí liên kết peptide ở nội mạch hay ở đầu mạch thì enzym protease được chia thành 2 nhóm: endopeptidase và exopeptidase

- Nhóm endopeptidase phân tách các protein thành các chuỗi peptide ngắn hơn Endopeptidase được chia thành bốn nhóm dựa vào động học cơ chế xúc tác

+ Serine protease: Là những proteinase có nhóm –OH của gốc serin trong trung tâm hoạt động có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hoạt động xúc tác của enzyme Enzyme thuộc nhóm này thường hoạt động mạnh ở vùng kiềm tính và thể hiện tính đặc hiệu cơ chất tương đối rộng Lớp enzyme này được chia thành 2 nhóm nhỏ hơn đó là chymotrypsin và substilisin Nhóm chymotrypsin bao gồm các enzyme của động vật có vú như: chymotrypsin, trypsin, elastase hay kallikrein Nhóm enzyme substilisin phần lớn được thu nhận tự vi khuẩn như substilisin

+ Cysteine protease: Là những proteinase có nhóm – SH trong trung tâm hoạt động Các enzyme thuộc nhóm này thường hoạt động mạnh ở pH trung tính, có tính đặc hiệu rộng và chỉ hoạt động được khi nhóm –SH không bị bao vây như Papain, Bromelin, một vài protein động vật và proteinase ký sinh trùng Các cysteine proteinase thường hoạt động ở vùng pH trung tính, có tính đặc hiệu cơ chất rộng

+ Aspartic protease: Là những enzyme có chứa nhóm cacboxyl trong trung tâm hoạt động, thường hoạt động mạnh ở pH trung tính như pepsin, renin, cathepsin, chymosin…

+ Metallo protease: Là nhóm enzyme có nhóm kim loại ở trung tâm hoạt động, được tìm thấy ở vi khuẩn, nấm mốc cũng như các sinh vật bậc cao hơn Các metallo protease thường hoạt động mạnh nhất ở vùng pH trung tính và hoạt độ giảm mạnh dưới tác dụng của EDTA Dựa vào tính chất của môi trường hoạt động (pH của môi trường) có thể chia thành

Dựa vào quá trình thuỷ phân có thể chia thành proteinase và peptidase [140, 142]

- Proteinase: Là enzyme thuỷ phân protein thành các peptide có khối lượng phân tử nhỏ

Hoạt độ tối ưu đạt được khi pH = 4.6 – 4.9, nhiệt độ tối ưu là 50 – 60oC, nhóm enzyme này chỉ bị vô hoạt khi nhiệt độ lớn hơn 70oC Ở 50oC, dưới tác dụng của enzyme này sản phẩm tạo thành chủ yếu là các pha thấp phân tử (peptide, polypeptide), còn ở 60oC thì sản phẩm chủ yếu thuộc nhóm phân tử lượng trung bình

- Peptidase: Là nhóm enzyme thủy phân các peptide thành các acid amin Các mối liên kết

peptide ở đầu N- hoặc đầu C- sẽ dần dần bị thuỷ phân Các enzyme này có tính đặc hiệu rất cao Ví dụ: Dipeptidase thì thuỷ phân dipeptide còn polypeptidase thì thuỷ phân polypeptide

có từ ba acid amin trở lên Aminopeptidase chỉ thể hiện hoạt lực xúc tác khi cơ chất có nhóm – NH2 tự do, còn cacboxylpeptidase chỉ hoạt động thuỷ phân khi cơ chất có nhóm –COOH tự

do Tất cả các peptidase kém bền nhiệt hơn proteinase nhưng lại hoạt động tốt trong môi trường kiềm Hoạt động tốt nhất ở pH = 7-8 và nhiệt độ khoảng 40 – 42oC Trong dung dịch nước, enzyme này hoạt động yếu dần khi tăng nhiệt độ lên 50oC và biến tính phi thuận nghịch nhanh chóng ở nhiệt độ 60oC

b Một số chế phẩm protease thương mại của hãng Novo Nordisk Đan Mạch

- Papain: Được chiết xuất từ nhựa quả đu đủ, thuộc nhóm endoprotease EC 3.4.21.62 Nhiệt

độ tối ưu 50 – 60oC, dải pH hoạt động 5,0 – 9,0, được bảo quản trong tủ lạnh ở 4oC Chế phẩm có dạng bột

- Bromelain: Được chiết xuất từ quả dứa, thuộc nhóm endoprotease EC 3.4.21.62 Nhiệt độ

tối ưu 50 – 60oC, dải pH hoạt động 5,0 – 9,0, được bảo quản trong tủ lạnh ở 4oC Chế phẩm

có dạng bột

- Pancreatin: Thành phần enzyme bao gồm trypsin, amylase và lipase, ribonuclease, và

protease, được sản xuất bởi các tế bào ngoại tiết của tuyến tụy lợn Điều kiện thích hợp của

pH 7,5 và nhiệt độ là 40oC

- Neutrase 0,8L: Được sản xuất từ vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens, thuộc nhóm

endoprotease EC 3.4.24.28 Điều kiện tối ưu của Neutrase là: Nhiệt độ 40oC – 50oC, pH 7,0 Chế phẩm được bảo quản trong tủ lạnh ở 4oC Chế phẩm này không chứa amylase, chứa một lượng β-glucanase không xác định Cần ion kẽm cho hoạt động của nó, ion Ca2+ có tác dụng làm bền enzym, enzym bị ức chế bởi EDTA Neutrase bị vô hoạt ở 85oC trong 2 phút

- Flavourzyme 500MG: Được sản xuất từ nấm mốc Aspergillus oryzae, Flavourzyme vừa

thuộc nhóm endoprotease và exoprotease Điều kiện tối ưu của Flavourzyme là: Nhiệt độ

45oC – 55oC, pH 6 – 8 Chế phẩm được bảo quản trong tủ lạnh ở 4oC Chế phẩm dạng bột màu trắng nâu (trong từng lô, từng đợt sản xuất thì mức độ đậm nhạt của màu sắc của chế phẩm có thể khác nhau) Flavourzyme có thể thuỷ phân trên 70% mối liên kết peptide, sản phẩm thuỷ phân bằng Flavourzyme thơm ngon, không có độ đắng khi thuỷ phân ở mức độ vừa phải Chế phẩm không có các chất độc hại, hàm lượng muối thấp

- Alcalase 2,4 AU/g: Là sản phẩm được sản xuất từ vi khuẩn Bacillus licheniformis, thuộc

nhóm endoprotease EC 3.4.21.62 Nhiệt độ tối ưu 30 – 65oC, dải pH hoạt động 7,0 – 9,0, được bảo quản trong tủ lạnh ở 4oC Chế phẩm có dạng lỏng, màu nâu đen, sánh

- Protamex®: Là sản phẩm được sản xuất từ vi khuẩn Bacillus licheniformis, có hoạt tính

1,5 AU/g, thuộc nhóm endoprotease EC 3.4.21.62 Nhiệt độ tối ưu 35 – 60oC, dải pH hoạt động 5,5 – 7,5, được bảo quản trong tủ lạnh ở 4oC Chế phẩm có dạng bột

- Savinase® 12T: Là sản phẩm được sản xuất từ vi khuẩn Bacillus licheniformis, có hoạt

tính 12KNPU-S/g, thuộc nhóm endoprotease EC 3.4.21.62 Nhiệt độ tối ưu 30 – 70oC, dải

pH hoạt động 8,0 – 10,0, được bảo quản trong tủ lạnh ở 4oC Chế phẩm có dạng bột

- Esoperase® 0,8L: Là sản phẩm được sản xuất từ vi khuẩn Bacillus licheniformis, có hoạt

tính 8KNPU-E/g, thuộc nhóm endoprotease EC 3.4.21.62 Nhiệt độ tối ưu 30 – 70oC, dải pH hoạt động 8,0 – 12,5, được bảo quản trong tủ lạnh ở 4oC Chế phẩm có dạng lỏng

Trong thực tế, các chế phẩm protease được sản xuất từ nguồn vi sinh vật, được sử dụng nhiều, bởi giá thành thấp, hiệu quả sử dụng cao, dẫn đến chi phí sản xuất thấp

Mặc dù, tác nhân enzyme là lựa chọn thích hợp cho sản xuất sản phẩm thủy phân protein ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, nhưng sản phẩm thủy phân thường có độ đắng Để giảm độ đắng, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện bằng phương pháp tách chiết (sử dụng cồn như butyl alcohol, ethanol và isopropyl) [85] hay sử dụng chất hấp thụ [72] Trong khi đó, nghiên cứu của Adler – Nissen lại dựa vào tính chất của các peptide kỵ nước, không bị hòa tan ở pH đẳng điện, do đó chúng được loại bỏ bằng kết tủa đẳng điện Tuy nhiên, loại đắng bằng phương pháp tách chiết hay kết tủa đẳng điện đều sử dụng hóa chất, không phù hợp khi sản phẩm thủy phân ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm [65] Nên

sử dụng các chế phẩm protease được các nhà nghiên cứu sử dụng rộng rãi và phổ biến cho quá trình thủy phân protein [61]

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thủy phân và độ đắng của sản phẩm thủy phân

Có nhiều yếu tố cần quan tâm trong quá trình thủy phân protein bằng chế phẩm protease như nhiệt độ và pH, bởi mỗi chế phẩm protease có pH và nhiệt độ tối ưu khác nhau Các yếu

tố khác như cơ chất, tỷ lệ cơ chất/ nước, tỷ lệ enzyme/cơ chất, thời gian thủy phân cũng ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu quả thủy phân protein và độ đắng của sản phẩm thủy phân Mặc

dù tỷ lệ bã nấm men bia/nước không có ảnh hưởng bằng các yếu tố khác trong quá trình thủy phân, nhưng vẫn có một số nghiên cứu cho thấy nó có ảnh hưởng quan trọng trong quá trình thủy phân, nếu nồng độ cơ chất cao, không thuận lợi cho quá trình thủy phân bán liên tục hoặc liên tục Do đó, trong quá trình thủy phân protein, tỷ lệ bã nấm men bia/nước được khảo sát và kết quả đạt được cho hiệu quả thủy phân cao là 1: 1 [67, 93], 10% (w/w) [35], 15% (w/w) và 20 % (w/w) [71]

1.3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thủy phân

Hiệu quả quá trình thủy phân có thể được xác định bằng cách:

- Tỷ lệ thu hồi chất rắn trong sản phẩm thủy phân, chất rắn là các thành phần acid amin

và các peptide có khối lượng phân tử nhỏ [71]

- Mức độ thủy phân (DH) (được tính bằng tổng hàm lượng acid amin tạo thành trong sản phẩm thủy phân/tổng hàm lượng protein tổng của nguyên liệu ban đầu) [93, 145]

- Tỷ lệ protein hòa tan thu hồi trong sản phẩm thủy phân [71, 145]

a Loại và tỷ lệ chế phẩm protesase/cơ chất được sử dụng có ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu quả thủy phân:

Papain là chế phẩm protease có tính đặc hiệu rộng, khi thủy phân protein nấm men bằng Papain cho hiệu suất thu hồi dịch chiết lên tới 70% [6] Trong sản xuất chiết xuất nấm men

từ Candida utilis, Papain được sử dụng và cho hiệu quả cao hơn hẳn β – glucanase, đạt tỷ lệ

thu hồi chất rắn cao nhất 68,6 ± 2,01% Với nồng độ Papain được sử dụng để nghiên cứu là 0,1%; 0,2%; 0,3; 0,4%; 0,5%; 0,6% Ứng với nồng độ Papain 0,1% đến 0,2% hiệu suất thu hồi chất rắn tăng mạnh đạt 67,02% (ở 0,2% Papain), với nồng độ enzyme > 0,2% hiệu suất thu hồi chất rắn hầu như không đổi [147] Một nghiên cứu khác khi thủy phân bã nấm men bia, tỷ lệ E/S là 0,4% của Papain cho hiệu suất thu hồi chất rắn đạt cao nhất khoảng 68-69% [20] hay ở điều kiện khác thì chế phẩm Papain cũng cho mức độ thủy phân cao hơn khi sử dụng chế phẩm Bromelanin [87] Để tăng hiệu quả quá trình thủy phân, Papain còn được nghiên cứu kết hợp với Lyticase, với tỷ lệ của Papain (0,5; 1; 2,5; 5%) và Lyticase (0,005; 0,01; 0,02; 0,025%) Kết quả nghiên cứu đạt được với nồng độ chế phẩm Papain 2,5% và Lyticase 0,025% hàm lượng chất rắn thu hồi và hàm lượng protein hòa tan cao nhất tương ứng lần lượt là 61,95% và 56,38 mg/ml trong thời gian ngắn hơn [128] Tuy nhiên, do chế phẩm Papain rất đắt, nên ít được sử dụng ở quy mô công nghiệp trong sản xuất sản phẩm thủy phân hay chiết xuất nấm men Do đó, ở quy mô công nghiệp, quá trình thủy phân bã nấm men bia chỉ dừng lại ở quá trình tự phân với mức độ thủy phân thấp Để khắc phục nhược điểm trên, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện bằng việc sử dụng loại chế phẩm protease khác và sử dụng hỗn hợp hai chế phẩm protease trong quá trình thủy phân protein Quá trình thủy phân gián đoạn protein nấm men bằng hỗn hợp Flavourzyme và Protamex, với nồng độ khảo sát từ 0,2%; 0,6%; 1% (w/w), các thí nghiệm được thực hiện tổ hợp với nhau giữa các nồng độ Kết quả cho thấy ở nồng độ 0,6% Flavourzyme và 0,6% Protamex, nhiệt độ 50oC, pH 7,0, tỷ lệ bã nấm men bia/nước 20% w/w, sau 12 giờ, mức độ thủy phân gián đoạn cao nhất, 48,13% [71] Quá trình thủy phân gián đoạn bã nấm men bia bằng hỗn hợp Pancreatin (2,5%) và Flavourzyme (2,5%) được nghiên cứu ở 50oC, trong thời gian 5

giờ, pH 7,0, tỷ lệ bã nấm men bia/nước 10% w/w, hàm lượng protein hòa tan đạt 55,9% (tính theo sản phẩm thủy phân sấy khô) [35] Các chế phẩm protease thay thế Papain trong đó Pancreatin cũng có chi phí đắt do được sản xuất bởi các tế bào ngoại tuyến của tuyến tụy lợn nên khó sử dụng ở quy mô công nghiệp Protamex và Flavourzyme có chi phí rẻ hơn, thích hợp sử dụng ở quy mô công nghiệp cho quá trình thủy phân protein

Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu quá trình thủy phân protein đậu nành thường sử dụng chế phẩm Flavourzyme, Alcalase, Neutrase, Protamex, Papain và Bromelain ở các khoảng

tỷ lệ E/S là 0,5%; 1%; 2% Kết quả cho thấy, sau 3 giờ thủy phân, DH bằng Protamex đạt giá trị cao nhất 28%, tiếp đến là DH bằng Alcalase, Flavourzyme, Papain, Neutrase và DH bằng Bromelain là thấp nhất 18% DH bằng Alcalase và bromelain không chênh lệch nhiều

ở các tỷ lệ E/S khảo sát, trong khi đó DH bằng Flavourzyme, Papain, Neutrase lại tăng mạnh

ở tỷ lệ E/S là 1%, nếu tỷ lệ E/S > 1%, DH hầu như không đổi [115] Với khoảng tỷ lệ E/S khảo sát của chế phẩm Trypsin E/S 5mAU/g, 15mAU/g, 25mAU/g, 35mAU/g đến mức độ thủy phân protein đậu bằng sau 2 giờ thủy phân, mức độ thủy phân lớn nhất ứng với tỷ lệ E/S 35mAU/g, DH đạt giá trị 11,5% Trong khi đó, DH ở tỷ lệ E/S 5mAU/g là 7,1% [93] Các nghiên cứu cho thấy mức độ thủy phân protein không cao khi sử dụng riêng lẻ chế phẩm protease nên một số nghiên cứu thực nghiệm quá trình thủy phân protein đậu nành bằng hỗn hợp Flavourzyme và Alcalase Với khoảng tỷ lệ E/S nghiên cứu của Flavourzyme và Alcalase là 10, 15, 20, 25 LAPU/g, ở điều kiện 50oC, pH 7,0 Kết quả cho thấy, sau 3 giờ thủy phân, tại tỷ lệ E/S là 20 LAPU/g của Flavourzyme và Alcalase cho mức độ thủy phân cao nhất [145]

Như vậy, nếu tăng tỷ lệ chế phẩm protease/cơ chất thì mức độ thủy phân cao, nhưng lượng chế phẩm protease sử dụng nhiều làm tăng chi phí sản xuất Hơn nữa, tùy vào mục đích sử dụng sản phẩm thủy phân để lựa chọn loại chế phẩm protease cũng cần cân nhắc Do

đó, trong sản xuất việc lựa chọn chế phẩm protease cần kiểm soát tỷ lệ E/S, giá thành chế phẩm protease được sử dụng thích hợp để đạt mức độ thủy phân cao với chi phí giá thành sản phẩm thấp Ngoài ra, cũng cần quan tâm đến thành phần của enzyme, dựa vào của các thành phần enzyme, giúp kiểm soát được các thành phần cấu tử trong sản phẩm thủy phân

như vai trò của Peptidase (Aspergillus) chuyển glutamine thành acid glutamic, làm tăng vị; Ribonuclease (Penicillium) chuyển acid nucleic thành các nucleotide; Deaminase (Aspergillus) chuyển acid adenylic thành acid inosinic; Glucanase (Bacillus) phân cắt các

glucan có trong vách tế bào [6]

b Nhiệt độ và pH cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả thủy phân:

Nhiệt độ và pH là hai yếu tố quan trọng cần kiểm soát trong quá trình thủy phân protein, bởi tại điều kiện thích hợp của hai yếu tố này thì hoạt tính của enzyme là tốt nhất, phản ứng giữa enzyme và cơ chất là tốt nhất Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân khảo sát 35oC, 40oC, 45oC, 50oC đến mức độ thủy phân protein đậu hà lan bằng enzyme trypsin Kết quả cho thấy sau 2 giờ thủy phân, mức độ thủy phân lớn nhất ở khoảng nhiệt độ

từ 45oC đến 50oC, DH đạt giá trị lần lượt là 12,2% và 12,3% Trong khi đó, DH ở nhiệt độ

35oC và 40oC chỉ đạt 7,4% và 8,6% [93]

c Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả thủy phân:

Thời gian thủy phân là yếu tố cần kiểm soát trong quá trình thủy phân, thời gian thủy phân càng dài thì tăng khả năng thủy phân protein thành các peptide có khối lượng phân tử nhỏ và các acid amin Nhưng thời gian thủy phân cũng phụ thuộc vào tỷ lệ E/S và BNMB/N, nếu thời gian thủy phân quá dài mà mức độ thủy phân không tăng, dẫn đến chi phí năng lượng tăng Đa số các nghiên cứu về động học quá trình thủy phân được thực hiện theo thời gian Khi nghiên cứu ảnh hưởng thời gian thủy phân đến hiệu suất thu hồi chất rắn trong sản

xuất chiết xuất nấm men từ Candida utilis bằng chế phẩm Papain, với tỷ lệ E/S 0,2%, tỷ lệ

bã nấm men bia/nước 15% w/w Trong thời gian thủy phân từ 1 đến 6 giờ, hiệu suất thu hồi chất rắn tăng mạnh đạt 69,26% (tại 6 giờ), tiếp tục thủy phân thì hiệu suất thu hồi chất rắn hầu như không đổi [147] Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến mức độ thủy phân protein đậu nành bằng các chế phẩm Flavourzyme, Alcalase, Neutrase, Protamex, Papain và Bromelain là lớn Kết quả cho thấy, trong 1 giờ đầu thủy phân, mức độ thủy phân bằng Flavourzyme, protamex và Alcalase là cao nhất, sau đó quá trình thủy phân bằng Flavourzyme giảm dần trong khi bằng Alcalase và Protamex tăng mạnh DH tăng chậm đều đối với quá trình thủy phân bằng Neutrase, Papain và Bromelain, sau 3 giờ thủy phân, mức

độ thủy phân protein đậu nành bằng Flavourzyme, Alcalase, Neutrase, Protamex, Papain và Bromelain lần lượt là 23%, 25%, 21%, 22%, 28%, 18% [115] Mặt khác, một số tác giả nghiên cứu thủy phân protein sử dụng hỗn hợp hai hay nhiều chế phẩm protease theo thời gian, với tỷ lệ E/S 0,6% Flavourzyme và 0,6% Protamex, tỷ lệ bã nấm men bia/nước 20% w/w, khi quá trình thủy phân bã nấm men bia từ 1 đến 12 giờ thì hiệu suất thu hồi chất rắn đạt 52,5%, sau 12 giờ thủy phân hiệu suất thu hồi chất rắn tăng chậm [71] Trong quá trình thủy phân protein đậu nành bằng hỗn hợp Alcalase và Flavourzyme thì nồng độ protein hòa tan tăng mạnh trong 10 giờ thủy phân và không thay đổi khi tiếp tục tăng thời gian [145] Chứng tỏ, tùy vào từng loại chế phẩm protease và tùy từng loại cơ chất, thời gian thủy phân

là khác nhau

1.3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ đắng của sản phẩm thủy phân

Hiệu suất thuỷ phân bằng chế phẩm protease tối đa chỉ đạt 70 % [128] Đặc biệt, sự thuỷ phân hạn chế do tác dụng của các endoprotease từ vi khuẩn làm giải phóng ra các peptide kị nước có đính các gốc leucine và phenylalanine nên sản phẩm thuỷ phân từ protease thường có vị đắng [71] Một số nghiên cứu khác lại đề cập đến độ đắng của sản phẩm thủy

phân thường do các serine proteinase của Bacillus subtilis đặc hiệu ở vị trí acid amin thơm

hoặc acid amin kỵ nước [93]

a Loại và tỷ lệ chế phẩm protesase/cơ chất được sử dụng có ảnh hưởng đến độ đắng quả thủy phân:

Tỷ lệ E/S cũng ảnh hưởng lớn đến độ đắng của sản phẩm thủy phân Thực vậy, theo nghiên cứu của Yongsheng và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ E/S của hỗn hợp Alcalase và Flavourzyme đến độ đắng của sản phẩm thủy phân protein đậu nành, sau 2 giờ thủy phân ở tỷ lệ E/S là 20 LAPU/g sản phẩm thủy phân có độ đắng thấp nhất

Loại enzyme sử dụng cũng tác động lớn đến độ đắng của sản phẩm thủy phân, theo Seo

và cộng sự đã tiến hành quá trình thủy phân protein đậu nành bằng chế phẩm Flavourzyme, Alcalase, Neutrase, Protamex, Papain và Bromelain ở cùng tỷ lệ E/S là 0,5%, sau 3 giờ thủy phân, độ đắng của sản phẩm thủy phân bằng chế phẩm Flavourzyme là thấp nhất, tiếp đến là Papain, Neutrase và Protamex, độ đắng của sản phẩm thủy phân bằng Alcalase cao nhất

b Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến độ đắng của sản phẩm thủy phân:

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến độ đắng của sản phẩm thủy phân protein đậu nành bằng hỗn hợp Alcalase và Flavourzyme pH được khảo sát 6,5; 7,0; 7,5; 8,0, điều kiện thủy phân 50oC, tỷ lệ E/S là 20LAPU/g trong thời gian 3 giờ, kết quả độ đắng của dịch thủy phân thấp nhất ở pH 7,0 [145] Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ với khoảng khảo sát 45; 50; 55; 60oC, tỷ lệ E/S là 20LAPU/g trong thời gian 3 giờ và pH 7,0 Kết quả cho thấy từ 0 – 1 giờ, độ đắng của sản phẩm thủy phân thấp nhất ở nhiệt độ 45oC, nhưng từ 2 giờ thủy phân trở đi, độ đắng của sản phẩm thủy phân thấp nhất ở 50oC

Như vậy, dựa vào các nghiên cứu đã công bố cho thấy, để thủy phân protein thường dùng các chế phẩm protease trung tính hoặc kiềm Papain được lựa chọn nhiều, tuy nhiên giá thành đắt, Flavourzyme có hoạt tính endopeptidase và exopeptidase (có đặc hiệu của aminopeptidase và carboxypeptidase) được lựa chọn để có độ đắng của sản phẩm thủy phân thấp nhất Với mục tiêu đạt mức độ thủy phân lớn thì Alcalase (thuộc nhóm endopeptidase,

là protease kiềm) được lựa chọn cho nghiên cứu thủy phân protein bã nấm men bia Protamex thường được sử dụng cho thủy phân protein từ động vật Neutrase có thành phần glucanase,

tăng khả năng phá vỡ màng tế bào Do đó, trong luận án này, ba loại chế phẩm Flavourzyme, Alcalase và Neutrase được sử dụng để tiến hành khảo sát và nghiên cứu

PHÂN VÀ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM THỦY PHÂN TỪ BÃ NẤM MEN BIA

1.4.1 Xử lý bã nấm men bia

1.4.1.1 Tách các acid đắng của hoa houblon

Mục đích: Lựa chọn được giải pháp tách các acid đắng của hoa houblon bám trên bề mặt bã nấm men bia nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm thủy phân

Sử dụng dung dịch muối ăn để loại bỏ các acid đắng của hoa houblon trong bã nấm men bia cho hiệu quả cao nhưng gây ra sự tổn thất 2 - 4% protein và một phần lớn vitamin nhóm

B [43] Bên cạnh đó, một nghiên cứu đã sử dụng các dung dịch H3PO4 0,1N; NaOH 0,1N; NaCl 0,9% và acid axetic 1% để loại bỏ các acid đắng của hoa houblon Kết quả cho thấy,

độ đục của dung dịch sau khi xử lý bằng NaOH 0,1N là cao nhất (OD=0,415), màu của nước rửa có màu vàng, chứng tỏ, khi xử lý bằng dung dịch NaOH 0,1N, thành phần isohumulones gắn trên bề mặt tế bào nấm men không bền và do vậy bị tách khỏi tế bào nấm men và chuyển vào trong dung dịch NaOH, do đó bã nấm men bia sau xử lý bằng dung dịch NaOH 0,1N có

độ đắng thấp nhất [39] Nhưng một số nghiên cứu khác cho thấy xử lý bã nấm men bia bằng dung dịch NaOH làm tế bào bã nấm men bia bị chết [58, 122, 133], là điều không mong muốn trong sản xuất các sản phẩm cao đạm Hơn nữa, các enzyme nội bào có ý nghĩa lớn cho quá trình tự phân bã nấm men bia, nên cần phải khảo sát nồng độ dung dịch NaOH theo thời gian rửa với tiêu chí độ đắng của bã nấm men bia thấp và tỷ lệ sống sót của tế bào cao [126]

1.4.1.2 Phá vỡ thành tế bào bã nấm men bia

Phá vỡ thành tế bào nấm men là bước quan trọng nhằm nâng cao mức độ thủy phân và chất lượng sản phẩm thủy phân, một số phương pháp được các nhà nghiên cứu và sử dụng như phương pháp cơ học, vật lý, hóa học, enzyme và tự phân

lít/giờ và đã thực hiện nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm ứng dụng cho ngành công nghệ sinh học [78] nhưng bị hạn chế khi ứng dụng ở quy mô công nghiệp [77]

Có thể phá vỡ tế bào bằng cách dùng quả cầu thép hoặc bi thủy tinh để nghiền Tỷ lệ và hiệu suất giải phóng enzyme phụ thuộc vào tốc độ lắc và kích thước của các loại hạt cũng như đường kính của thiết bị Với cùng một thể tích hạt, thì sử dụng một lượng lớn các hạt nhỏ sẽ hiệu quả hơn một lượng tương đối nhỏ các hạt lớn, vì nó làm tăng sự va chạm giữa các hạt và các tế bào [88] Một số nghiên cứu thực hiện quá trình phá vỡ màng tế bào nấm men bằng thiết bị nghiền bi với vận tốc lắc 18 m/s, kết quả đạt được 100% tế bào nấm men

bị phá vỡ trong vòng 72 giây ở nồng độ 3,5 g (trọng lượng khô)/100ml [110] Ở điều kiện khác, nghiền bi với các hạt thủy tinh có đường kính 0,5mm, sau 3 phút nghiền, hiệu suất phá

vỡ tế bào nấm men cao, nồng độ protein đạt 175 µg/ml Đồng thời, kết quả đạt nồng độ

protein hòa tan là 1,6 mg/g ± 0,1 với quá trình phá vỡ tế bào Lepista sp [81]

Phá vỡ tế bào bằng phương pháp siêu âm là kỹ thuật thích hợp và rất hiệu quả ở quy mô phòng thí nghiệm, nhưng khó ứng dụng ở quy mô sản xuất lớn [90] Sử dụng phương pháp siêu âm để phá vỡ thành tế bào vi khuẩn rất hiệu quả, giải phóng các enzyme nội bào hoặc

chỉ phá vỡ thành tế bào [41] Nghiên cứu thực hiện phá vỡ tế bào Aspergillus fumigatus bằng

siêu âm với tần số cao > 16kHz, chu kỳ siêu âm được khảo sát ở 11 và 30 giây, tổng thời gian để mẫu siêu âm được khảo sát từ 1 - 3,5 phút Mẫu có tổng thời gian siêu âm dài thì hàm lượng protein càng giảm, cụ thể tổng thời gian siêu âm ở 1 phút và 3,5 phút thì hàm lượng protein đạt lần lượt là 258 µg/ml ± 75 và 300 µg/ml ± 54 (với chu kỳ siêu âm 11 giây);

87 µg/ml ± 8,5 và 41 µg/ml ± 4,3 (với chu kỳ siêu âm 30 giây) [81] Mặt khác phương pháp siêu âm có thể sử dụng để tách enzyme ribonuclease từ nấm men bia, làm ngăn cản quá trình thủy phân các AND [76]

Có thể phá vỡ tế bào bằng phương pháp xử lý nhiệt, dùng hơi nước tác động trực tiếp vào sinh khối nấm men ở nhiệt độ khoảng 121oC Phương pháp xử lý nhiệt này nếu để thời gian lâu > 30 phút sẽ làm tổn thất protein, nếu < 30 phút thì không có hiệu quả nhiều [63] Gần đây, quá trình xử lý nhiệt thường kết hợp với sốc nhiệt để phá vỡ tế bào đạt hiệu quả cao, nhưng ứng dụng phần lớn cho việc tách chiết các chất có hoạt tính sinh học, với phương pháp này dễ gây tổn thất một số acid amin, làm mất hoạt tính của các enzyme nội bào trong

bã nấm men bia, dẫn đến quá trình tự phân không có tác dụng [131] Khi chỉ sử dụng phương pháp sốc nhiệt để phá vỡ tế bào, được thực hiện trong khoảng nhiệt độ dao động 50oC –

70oC, không làm mất hoạt tính của enzyme nội bào, là nhiệt độ thích hợp cho enzyme ribonucleaza hoạt động, do đó làm thủy phân axit ribonucleic (nhiệt độ tối ưu cho enzyme này là 52oC) Điều kiện sốc nhiệt 68 o C trong thời gian 1-2 phút có tác dụng làm biến tính

riboxôm và sau đó enzyme ribonuclease thủy phân được ARN, dẫn đến hàm lượng acid nucleic trong sản phẩm thủy phân giảm Quá trình sốc nhiệt được thực hiện lần 1 ở điều kiện

từ 1 – 3 phút ở 68oC, sau đó ủ trong 1 giờ ở 45 – 50oC và lần 2 thực hiện quá trình sốc nhiệt

từ 1 – 3 phút ở 68oC, sau đó ủ trong 1 giờ ở 52 – 55oC, kết quả hàm lượng acid nucleic cũng giảm đáng kể từ 7% xuống còn 1% khối lượng chất khô [97, 103] Do đó, để nâng cao chất lượng sản phẩm thủy phân, nhóm tác giả nhận thấy phương pháp sốc nhiệt cần được nghiên cứu

cellulase, mutanolysin, proteases, mannase để phá vỡ tế bào nấm men [31] Gần đây, sử dụng

enzyme để phá vỡ tế bào được thực hiện trong nhiều nghiên cứu, với ưu điểm lớn là điều

kiện thủy phân nhẹ nhàng và tính đặc hiệu của chúng [125] Tuy nhiên, nhược điểm lớn của

phương pháp phá vỡ thành tế bào bằng chế phẩm enzyme là chi phí sản xuất cao vì giá thành enzyme đắt Nên ở quy mô công nghiệp phương pháp này ít được sử dụng

d Phương pháp tự phân

Một số nghiên cứu đã công bố thời gian tự phân bã nấm men bia thường dài và hiệu quả thủy phân không cao Ở điều kiện tự phân bã nấm men 45oC, pH 5,5 và sau 30 giờ, tỷ lệ chất rắn thu hồi đạt 13,7% và nồng độ protein hòa tan đạt 49 mg/ml [35] và ở 50oC, pH 5,5 trong 24 giờ, tỷ lệ protein đạt 48,7%/chất rắn khô [126] Mặt khác, quá trình tự phân là bước quan trọng cần được thực hiện trước quá trình thủy phân bằng chế phẩm protease, tận dụng các enzyme nội bào để thủy phân protein thành các peptide phân tử thấp hay các acid amin,

sự phân cắt này giúp cho các acid amin và các peptide hình thành sau khi thủy phân được thẩm thấu qua thành tế bào ra bên ngoài, mà thành tế bào không hề bị phá vỡ [31, 96, 149] Kết quả nghiên cứu được minh chứng bằng hình ảnh chụp TEM tế bào nấm men bánh mì đã bắt đầu bị giãn sau quá trình tự phân [128] Tuy nhiên, hiệu suất tự phân không cao, cần kết hợp với quá trình thủy phân bằng các chế phẩm protease Trong khi đó, ở mục 1.3.2, sử dụng chế phẩm protease cho quá trình thủy phân protein bã nấm men bia, đều ở môi trường kiềm, không phù hợp với pH 5,5 cho quá trình tự phân Điều đó, có nghĩa là quá trình tự phân và quá trình thủy phân bã nấm men bia không thể thực hiện đồng thời

1.4.2 Kỹ thuật thủy phân protein bã nấm men bia bằng chế phẩm protease

Kỹ thuật thủy phân protein bao gồm kỹ thuật thủy phân gián đoạn, bán liên tục và liên tục Ưu và nhược điểm của từng kỹ thuật thủy phân là khác nhau, tùy vào từng loại cơ chất, từng mục đích nghiên cứu cho việc ứng dụng sản phẩm thủy phân và dựa vào khả năng tài chính của từng doanh nghiệp

1.4.2.1 Kỹ thuật thủy phân gián đoạn ở quy mô thí nghiệm

Ở Việt Nam, bã nấm men bia được đề cập đến trong hội thảo được tổ chức tại Thành phố Hồ Chí Minh do tổ chức xúc tiến thương mại Nhật Bản và Viện nghiên cứu rượu bia nước giải khát tổ chức, với nội dung chính đưa ra định hướng tận dụng bã nấm men bia [18] Sau hội nghị đó, lần lượt các công trình nghiên cứu về bã nấm men bia được thực hiện, một

số nghiên cứu như: “Nghiên cứu tận dụng nguồn nấm men bia dư thừa để sản xuất men chiết xuất làm gia vị thực phẩm” năm 2003 [16]; Năm 2004, Trương Thị Hòa đã nghiên cứu đề tài “Sử dụng nấm men bia và nấm men đỏ trong công nghiệp chế biến thực phẩm và thức ăn gia súc”; Năm 2006, nghiên cứu của Lê Văn Việt Mẫn lại tiến hành tự phân bã nấm men bia

để thu nhận chế phẩm investase; Năm 2008 đề tài nghiên cứu “Chế biến nấm men từ phế liệu phụ phẩm sản xuất bia làm nguyên liệu thức ăn chăn nuôi” Như vậy, đa số các nghiên cứu thủy phân protein bã nấm men bia chỉ dừng lại ở kỹ thuật thủy phân gián đoạn, chưa có nghiên cứu khoa học nào thực hiện quá trình thủy phân bã nấm men bia bằng kỹ thuật thủy phân liên tục Đồng thời, trên thế giới, bã nấm men bia cũng được nghiên cứu để sản xuất chiết xuất nấm men hay sản phẩm thủy phân bằng kỹ thuật thủy phân gián đoạn đạt mức độ thủy phân thấp, hoặc cao trên 50% nhưng thời gian thủy phân dài Một số nghiên cứu sản xuất chiết xuất nấm men và sản phẩm thủy phân từ bã nấm men bia (bằng kỹ thuật thủy phân gián đoạn) đạt mức độ thủy phân là 48,1% trong thời gian thủy phân 12 giờ [71]; 50% trong thời gian 10 giờ [35], một số tác giả nghiên cứu quá trình tự phân bã nấm men bia đạt mức

độ thủy phân thấp và thời gian tự phân cao khoảng 24 – 36 giờ [35, 126] Kỹ thuật thủy phân

gián đoạn thường khó kiểm soát chất lượng sản phẩm thủy phân, thời gian thủy phân dài ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm thủy phân (do hàm lượng acid amin nhiều dễ bị phân hủy

và hỏng khi nhiễm vi sinh vật) [99] Như vậy, một lần nữa khẳng định rằng, trên thế giới và

tại Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu khoa học nào được công bố về quá trình thủy phân protein bã nấm men bia bằng kỹ thuật thủy phân liên tục

1.4.2.2 Kỹ thuật thủy phân liên tục ở quy mô thí nghiệm

Kỹ thuật thủy phân liên tục được nghiên cứu trên cơ chất protein sữa cừu, sau 3 giờ thủy phân, mức độ thủy phân và lượng enzyme sử dụng trong quá trình thủy phân liên tục so với quá trình thủy phân gián đoạn tương ứng tăng 18,5% và giảm 50% Bên cạnh đó, một số nghiên cứu hệ thống thủy phân liên tục có sử dụng màng lọc, như quá trình thủy phân hemoglobin, sử dụng màng lọc ceramic có kích thước 10kDa [38], quá trình thủy phân liên tục của caseinnomacroppeptide bằng enzyme trypsin với màng lọc ceramic có kích thước 3 kDa để thu hồi các peptide hoạt tính [42], quá trình thủy phân liên tục protein các loại hạt chứa dầu bằng phương pháp vi sóng [54] và quá trình thủy phân liên tục protein đậu nành, với kích thước màng lọc 3 kDa [46, 143], thủy phân liên tục gluten lúa mì [49] Nghiên cứu quá trình thủy phân bã nấm men bia bằng màng lọc kDa [94] Các quá trình thủy phân liên tục protein có sử dụng màng lọc thường được thực hiện trong các nghiên cứu thu hồi peptide

và có nguyên lý hoạt động chung được minh họa hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý quá trình thủy phân liên tục protein đậu nành

Theo Hình 1.1, cơ chất là protein đậu nành được cấp vào bồn có cánh khuấy, sau đó được chảy tự do xuống bồn thực hiện quá trình thủy phân (trong thiêt bị phản ứng) bằng hỗn hợp Alcalase và Flavourzyme, bồn phản ứng được thiết kế hai vỏ, được gia nhiệt tuần hoàn bằng nước nóng và có lắp thiết bị khuấy Dòng cơ chất được bơm tuần hoàn liên tục qua màng lọc có kích thước 3 kDa, dòng sản phẩm thủy phân là các peptide có khối lượng phân

tử ≤ 3 kDa được thấm qua lớp màng Hệ thống có thiết bị điều chỉnh pH online trên đường

ống (dòng cơ chất tuần hoàn về bồn phản ứng) Hiệu quả thu hồi các peptide hoạt tính đạt 53% Như vậy, đa số các nghiên cứu về quá trình thủy phân liên tục protein đều ứng dụng

để sản xuất các peptide hoạt tính, nên kích thước màng lọc nhỏ Hơn nữa, ở quy mô công nghiệp, quá trình sản xuất chiết xuất nấm men hay sản phẩm thủy phân vẫn dừng ở kỹ thuật thủy phân gián đoạn hoặc tự phân hoặc kết hợp cả hai (mục 1.4.2.3)

1.4.2.3 Kỹ thuật thủy phân gián đoạn ở quy mô công nghiệp

Theo Hình 1.2, quá trình sản xuất sản phẩm chiết xuất nấm men là quá trình tự phân

và thủy phân gián đoạn, thời gian cho một quy trình thường kéo dài khoảng 24 giờ Sản phẩm thủy phân không qua trực tiếp màng lọc (giống như một số nghiên cứu ở Hình 1.1) mà hỗn hợp sau thủy phân phải qua 1 thiết bị tách thô để loại bã, sau đó đến hệ thống ly tâm với tốc độ ly tâm 10.000 v/p để thu hồi dịch trong, kế tiếp qua màng lọc UF và màng lọc RO được sản phẩm thủy phân, với kích thước của màng lọc UF khoảng 0,1 – 0,01 µm và kích thước màng lọc RO trong khoảng 0,001 – 0,0001 µm Với qui trình này, chi phí đầu tư cao, thời gian hoàn vốn dài

Hình 1.2 Sơ đồ dây chuyền sản xuất sản phẩm chiết xuất nấm men quy mô công nghiệp

Do đó, tính đến thời điểm nghiên cứu chưa có công trình nghiên cứu về quá trình sản xuất sản phẩm chiết xuất nấm men hay sản phẩm thủy phân protein bã nấm men bia theo phương pháp thủy phân liên tục Kỹ thuật thủy phân liên tục được đề cập trong luận án này, được hiểu là dòng chất lỏng được di chuyển liên tục trong suốt quá trình thủy phân, sự di

chuyển dòng liên tục có thể tự chảy tràn liên tục hoặc dưới tác động của bơm Như vậy, để

minh chứng tính hiệu quả của kỹ thuật thủy phân chảy tràn liên tục hay tuần hoàn liên tục trên cơ chất protein bã nấm men bia Bước đầu, nhóm tác giả cần phân tích lý thuyết về mặt động học (mục 1.4.2.4)

1.4.2.4 Phân tích cơ sở động học kỹ thuật thủy phân protein [108, 150]

a Kỹ thuật thủy phân gián đoạn

Khi phản ứng chưa xảy ra, sự thay đổi hàm lượng acid amin trong thiết bị thủy phân

được biểu diễn bởi phương trình vi phân (1.1) (Trong đó: S 0 – nồng độ protein ban đầu, S –

nồng độ protein còn lại sau thủy phân, P – nồng độ sản phẩm đầu ra (hàm lượng acid amin thu được, P 0 – nồng độ sản phẩm đầu vào (hàm lượng acid amin ban đầu, V – Thể tích của

thiết bị thủy phân, F – lưu lượng của protein hoặc sản phẩm thủy phân, 𝜔 - tốc độ phản ứng,

b Kỹ thuật thủy phân liên tục (chất lỏng tịnh tiễn song song) [119]

Nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả như sau: