Đề tài Sản xuất phenylalanine

Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 1 MỤC LỤC 1. TỔNG QUAN VỀ PHENYLALANINE .................................................................................... 3 2. NGUYÊN LIỆU VÀ GIỐNG ..................................................................................................... 5 2.1. Nguyên liệu sản xuất phenylalanine ............................................................................................ 5 2.2. Nguyên liệu phụ ............................................................................................................................. 7 2.3. Vi sinh vật ....................................................................................................................................... 9 2.3.1. Yêu cầu chọn giống ..................................................................................................... 9 2.3.2. Chọn giống vi sinh vật ................................................................................................. 9 2.3.2.1. Đặc điểm của E. coli ........................................................................................... 10 2.3.2.2. Nguồn dinh dưỡng E. coli có thể sử dụng được ................................................. 10 2.3.2.3. Tổng hợp phenylalanine ở E.coli ........................................................................ 11 3. QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ ..................................................................................................... 13 4. GIẢI THÍCH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ ............................................................................... 15 4.1. Chuẩn bị nguyên liệu ................................................................................................................... 15 4.1.1. Làm sạch .................................................................................................................... 15 4.1.2. Nghiền ........................................................................................................................ 16 4.2. Thủy phân ..................................................................................................................................... 17 4.2.1. Hồ hóa ........................................................................................................................ 17 4.2.2. Dịch hóa ..................................................................................................................... 17 4.2.3. Đường hóa .................................................................................................................. 17 4.3. Chuẩn bị môi trường .................................................................................................................... 18 4.4. Nhân giống .................................................................................................................................... 19 4.5. Lên men ......................................................................................................................................... 19 4.6. Tách sinh khối .............................................................................................................................. 21 4.7. Trao đổi ion và nhả hấp phụ ....................................................................................................... 22 4.8. Cô đặc chân không ....................................................................................................................... 24 4.9. Kết tinh .......................................................................................................................................... 26 4.10. Ly tâm tách tinh thể ..................................................................................................................... 27 4.11. Sấy ................................................................................................................................................. 28 4.12. Đóng gói ........................................................................................................................................ 28 Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 2 5. SẢN PHẨM .............................................................................................................................. 29 6. THÀNH TỰU ........................................................................................................................... 31 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 32 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Công thức cấu tạo phenylalanine .......................................................................................... 3 Hình 2: Hạt bắp .................................................................................................................................. 5 Hình 3: Cấu tạo của hạt bắp ............................................................................................................... 6 Hình 4: Vi khuẩn E.coli ................................................................................................................... 10 Hình 5: Sơ đồ tổng quan về các phản ứng trong trung tâm trao đổi chất của E. coli ...................... 11 Hình 6: Con đường sinh tổng hợp acid amin vòng thơm trong E. coli ............................................ 12 Hình 7: Sơ đồ khối quy trình lên men tạo phenylalanine ................................................................ 13 Hình 8: Sơ đồ khối quy trình tinh sạch phenylalanine ..................................................................... 14 Hình 9: Thiết bị làm sạch ................................................................................................................. 15 Hình 10: Cấu tạo của máy nghiền búa ............................................................................................. 16 Hình 11: Thiết bị thủy phân ở áp suất cao ....................................................................................... 18 Hình 12: Bốn giai đoạn trong sản xuất L-phenylalanine có tính chất khác nhau cần kiểm soát khác nhau để thu được sản lượng cao trong thời gian ngắn nhất ............................................................. 20 Hình 13: Cấu tạo thiết bị lên men .................................................................................................... 20 Hình 14: Thiết bị lên men ................................................................................................................ 20 Hình 15: Máy ly tâm siêu tốc loại ống ............................................................................................. 22 Hình 16: Các hạt nhựa trao đổi ion trong thiết bị trao đổi ion ......................................................... 23 Hình 17: Thiết bị trao đổi ion .......................................................................................................... 24 Hình 18: Sơ đồ thiết bị cô đặc nhiều nồi ......................................................................................... 25 Hình 19: Thiết bị kết tinh bằng phương pháp làm lạnh ................................................................... 27 Hình 20: Thiết bị ly tâm lọc ............................................................................................................. 27 Hình 21: Thiết bị sấy chân không .................................................................................................... 28 Hình 22: Phenylalanine ở dạng bột .................................................................................................. 29 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Hàm lượng phenylalanine trong một số thực phẩm (g/100g thực phẩm) ............................ 4 Bảng 2: Cấu tạo của hạt bắp so với khối lượng của toàn hạt ............................................................. 6 Bảng 3: Thành phần hóa học của hạt bắp .......................................................................................... 6 Bảng 4: Thành phần acid amin trong protein bắp (g acid amin/16g N) ............................................ 7 Bảng 5: Nhiệt độ hồ hóa của bắp và một số tinh bột khác ................................................................. 7 Bảng 6: Thành phần dinh dưỡng trong 100g dịch chiết nấm men ..................................................... 7 Bảng 7: Chỉ tiêu sản phẩm phenylalanine ........................................................................................ 29 Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 3 1. TỔNG QUAN VỀ PHENYLALANINE L-Phenylalanine (phenylalanine) là acid amin mạch vòng có một nhóm (−NH2) và một nhóm (−COOH) trong phân tử, có công thức cấu tạo: Hình 1: Công thức cấu tạo phenylalanine Một số tính chất vật lý của phenylalanine: - Công thức phân tử: C9H11NO2 - Tinh thể màu trắng, bền ở nhiệt độ ở 20 - 25oC - Phổ hấp thu: 280nm - Điểm đẳng điện pI: 5,5 - Điểm nóng chảy: 270 - 275oC - Tỷ trọng: 0,754 - Hòa tan trong H2O, không màu - Độ hòa tan nước: 1-5g/100 ml ở 25ºC - Tính ổn định: ổn định trong điều kiện bình thường. Không bền với các tác nhân ôxi hóa mạnh. Phenylalanine là một trong tám acid amin không thay thế, cơ thể người và động vật không thể tự tổng hợp được mà phải lấy từ các nguồn bên ngoài. Đối với cơ thể người nhu cầu là 4,4g/người/ngày. Từ những năm 1980 đến nay nhu cầu về phenylalanine ngày càng tăng. Trước đây người ta sản xuất phenylalanine bằng phương pháp enzyme, từ cuối năm 1996 tại Trung Quốc phenylalanine được sản xuất bằng phương pháp lên men. Việc sản xuất phenylalanine trên thế giới chủ yếu tập trung ở Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Trung Quốc, Tây Âu. Nhu cầu phenylalanine trên thế giới 3,06.108kg/năm Phenylalanine được sử dụng trong thực phẩm, dược phẩm và sản xuất aspartame. L-phenylalanine có trong một số loại thực phẩm như thịt bò, cá, đậu nành, sữa, trứng… Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 4 Bảng 1: Hàm lượng phenylalanine trong một số thực phẩm (g/100g thực phẩm) Phenylalaninne food sources Phenylalanine content (grams/100 gram food) Soybeans, mature seeds, raw 1,91 Cowpea, catjang, mature seeds, raw 1,39 Lentils, raw 1,38 Peanuts, all types, raw 1,34 Nuts, almonds 1,15 Chickpeas (garbanzo beans, bengal gram), mature seeds, raw 1,03 Flax seed, raw 0,96 Seeds, sesame butter, tahini, from raw and stone ground kernels 0,94 Salami, Italian, pork 0,94 Beef, round, top round, separable lean and fat, trimmed to 1/8" fat, select, raw 0,88 Beef, top sirloin, separable lean only, trimmed to 1/8" fat, choice, raw 0,87 Crustaceans, shrimp, mixed species, raw 0,86 Chicken, broilers or fryers, thigh, meat only, raw 0,78 Fish, salmon, pink, raw 0,78 Nuts, walnuts, english 0,71 Chicken, broilers or fryers, wing, meat and skin, raw 0,70 Egg, white, raw, fresh 0,69 Egg, whole, raw, fresh 0,68 Egg, yolk, raw, fresh 0,68 Sausage, Italian, pork, raw 0,48 Milk, sheep, fluid 0,28 Hummus 0,26 Pork, fresh, separable fat, raw 0,22 Milk, goat, fluid 0,16 Soy milk, fluid 0,15 Milk, whole, 3,25% milkfat 0,15 Asparagus 0,08 Snap beans, green, raw 0,07 Milk, human, mature, fluid 0,05 Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 5 2. NGUYÊN LIỆU VÀ GIỐNG 2.1. Nguyên liệu sản xuất phenylalanine Để sản xuất phenylalanine ta có thể sử dụng các nguồn nguyên liệu như: gạo, bắp, mật rĩ… Trong bài này chúng tôi trình bày phương pháp sản xuất phenylalanine từ bắp. Hình 2: 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 bột: hạt màu vàng, trắng, dùng để sản xuất bột bắp. - Bắp răng ngựa: hạt có hình dạng giống răng ngựa, vàng, dùng sản xuất bột bắp. - Bắp đường: vỏ nhăn nheo, màu vàng, trắng, hàm lượng đường, protein rất cao, chủ yếu để sản xuất dịch đường glucose. - 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. 2.1.1. Cấu tạo Cấu tạo hạt bắp gồm có 5 thành phần chính là: tầng vỏ, lớp biểu bì, phôi, nội nhũ và mũ hạt. Ngoài ra đầu dưới của hạt còn có gốc hạt liền với lõi. Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 6 Hình 3: Cấu tạo của hạt bắp Bảng 2: Cấu tạo của hạt bắp so với khối lượng của toàn hạt Các phần của hạt bắp Tỉ lệ về khối lượng so với toàn hạt (%) Tầng vỏ hạt 6 – 9 Lớp biểu bì 6 – 8 Nội nhũ 70 – 78 Phôi 8 – 15 2.1.2. Thành phần hóa học - Vỏ hạt bắp chủ yếu là cellulose. - Nội nhũ là phần tập trung hầu hết tinh bột bắp. - Tinh bột là nguồn carbohydrate chính của bắp chứa khoảng 72% amylose, 28% amylopectin. - Protein trong bắp bao gồm zein chiếm khoảng 39%, globulin khoảng 10%, glutelin khoảng 30% và albumin chiếm khoảng 7%. Bảng 3: Thành phần hóa học của hạt bắp Thành phần hóa học Vỏ hạt (%) Nội nhũ (%) Phôi (%) Protein 3,7 8,00 18,40 Chất béo 1,00 0,80 33,20 Cellulose 86,70 2,70 8,80 Tro 0,80 0,30 10,50 Tinh bột 7,30 87,60 8,30 Đường 0,34 0,62 10,80 Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 7 Bảng 4: Thành phần acid amin trong protein bắp (g acid amin/16g N) (Theo Rinson và Hartwing 1977) Amino acid Tỷ lệ Arginine 3,7 Histidine 2,4 Lysine 2,6 Tyrosine 3,6 Triptophane 0,6 Phenylalanine 4,1 Threonine 3,0 Methyonine 1,6 Cystine 1,3 Leucine 11,2 Valine 3,9 Glycine 2,9 Glutamic acid 14,1 Bảng 5: Nhiệt độ hồ hóa của bắp và một số tinh bột khác Tinh bột tự nhiên Nhiệt độ hồ hóa (t0C) Bắp 62 – 73 Bắp nếp 62 – 72 Lúa miến 68 – 75 Lúa miến nếp 67 – 74 Gạo 68 – 74 Lúa mì 59 – 62 Sắn 52 – 59 Khoai tây 59 – 70 2.2. Nguyên liệu phụ 2.2.1. Dịch chiết nấm men Bảng 6: Thành phần dinh dưỡng trong 100g dịch chiết nấm men Thành phần Hàm lượng Protein 27,8g Carbohydrate 11,8g Nước 37g Tro 23,4 Vitamin Khoáng Thiamin 9,7mg Ca 86mg Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 8 Riboflavin 14,3mg Fe 3,7mg Vitamin B6 1,3mg Mg 180mg Folate 1010mcg Phospho 104mg Vitamin B12 0,5mcg K 2600mg Choline 65,1 mg Na 3600mg Zn 2,1mg Cu 0,3mg Se 18mcg 2.2.2. Tryptone Nitơ tổng 11 -12 % Nitơ amin ≥ 3,5% Protein ≥ 70% E.Coli Không có Samonella Không có pH 6,5 – 7,2 2.2.3. Tyrosine Độ tinh khiết 98,5% Cl ≤ 0,04% SO4 ≤ 0,04% Fe ≤ 30 ppm Pb ≤ 15ppm 2.2.4. K2HPO4 Màu sắc Màu trắng Độ tinh khiết 98% P2O5 ≥ 40% K2O ≥ 53% pH 8,0 – 9,0 Pb ≤ 0,001% As ≤ 0,0003% F ≤0,002% 2.2.5. MnSO4.H2O Độ tinh khiết 98% Mn ≥ 31,8% Fe ≤ 0,004% Pb ≤ 15 ppm As ≤ 5 ppm Cd ≤ 10 ppm Cl ≤ 0,005% pH 5,0 – 6,5 Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 9 2.2.6. MgSO4.7H2O Độ tinh khiết 99,5% Fe ≤ 0,0015% Pb ≤ 0,0005% Cl ≤ 0,01% As ≤ 0,0004% pH 6,5 2.3. Vi sinh vật 2.3.1. Yêu cầu chọn giống - Khả năng sinh độc tố: không có. - Khả năng sinh tổng hợp sản phẩm chính: sản lượng phenylalanine tạo thành là lớn nhất. - Khả năng thích nghi và tốc độ sinh trưởng : dễ nuôi cấy, thích nghi tốt với môi trường, tốc độ sinh sản nhanh. - Điều kiện nuôi cấy: môi trường nuôi cấy dễ kiếm, rẻ tiền. 2.3.2. Chọn giống vi sinh vật Trong thiên nhiên, có nhiều vi sinh vật có khả năng tổng hợp phenylalanine, nhưng số loài vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp nhiều phenylalanine để sử dụng trong qui mô sản xuất công nghiệp là không nhiều. Ở điều kiện sống bình thường, lượng acid amin do chúng tự tổng hợp được thường đủ đáp ứng yêu cầu bản thân nhưng trong điều kiện không bình thường nào đó lượng các acid amin này có thể vượt xa nhu cầu bản thân và tích lũy lại trong tế bào hay thoát ra ngoài môi trường. Hiện tượng này được gọi là siêu tổng hợp acid amin của vi sinh vật. Để thu nhận phenylalanine từ vi sinh vật ở quy mô công nghiệp, cần phải tiến hành phân lập giống, tuyển chọn, gây đột biến, chọn điều kiện tối ưu cho quá trình sinh tổng hợp. Chọn loài vi sinh vật tích lũy được nhiều acid amin là khâu quan trọng nhất. Người ta đã xác định nhiều loài vi sinh vật tổng hợp được phenylalanine với lượng khác nhau. Trong số đó đáng kể là vi khuẩn và nấm men có thể tổng hợp được một lượng khá lớn phenylalanine, tiêu biểu là các loài: • Corynebacterium glutamicum • Corynebacterium equi • Brevibacterium flavum • Escherichia coli (E. coli) • Rhodotorula rubra • Bacillus lactofermentum • Candida boidinii Hiện nay, người ta tạo ra được các chủng E.coli tái tổ hợp, đột biến có khả năng tổng hợp phenylalanine cao. Các tác nhân gây đột biến có thể là tác nhân vật lý như tia bức xạ ion hóa hay tác nhân hóa học, sử dụng các chất oxy hóa mạnh như etylen hoặc các chất gây đồng vị phóng xạ mạnh. Qua khâu đột biến ta thu dược những chủng mới có khả năng tổng hợp phenylalanine cao như là E.coli đột biến dị dưỡng tyrosine. Trong bài này chúng tôi sẽ giới thiệu việc sử dụng thể E.coli đột biến dị dưỡng tyrosine để sản xuất phenylalanine. Escherichia coli đột biến dị dưỡng tyrosine (E.coli W3110). Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 10 2.3.2.1. Đặc điểm của E. coli Vực (domain): Bacteria Ngành (phylum): Proteobacteria Lớp (class): Gamma Proteobacteria Bộ (ordo): Enterobacteriales Họ ( familia): Enterobacteriaceae Chi (genus): Escherichia Loài (species): E. coli - Gram âm, kỵ khí tùy tiện, không sinh bào tử. - Tế bào hình que dài khoảng 2 μm, đường kính 0,5 μm, thể tích tế bào 0,6 – 0,7 μm3. - Là vi sinh vật ưa ấm, có thể sống trong khoảng nhiệt độ 70C-500C, nhiệt độ gây chết 600C- 650C trong 1 phút - Topt 370C, pH = 4,4 - 8,5 - Độ ẩm tối thiểu: aw = 0,91 - Có thể sử dụng nhiều cơ chất khác nhau. - Sinh trưởng trong điều kiện hiếu khí hay kỵ khí dùng nhiều cặp oxy hóa khử khác nhau, bao gồm sự oxi hóa pyruvic acid, formic acid, hydroge, amino acids và sự giảm cơ chất như oxygen, nitrate, dimethyl sulfoxide và trimethylamine N-oxide. 2.3.2.2. Nguồn dinh dưỡng E. coli có thể sử dụng được  Nguồn cacbon: Glucose, lactose, mannitol, maltose, fructose, galactose, sorbitol, glycerol, acid cinamic.  Nguồn nitơ:  Vô cơ: ammonia, nitrate, NH4Cl, (NH4)2SO4, (NH4)2-H-citrate  Hữu cơ: peptone, L-asparagine, adenine, adenosine, agmatine, L- and D-alanine, allantoin (anaerobically), [gamma]-aminobutyrate, arginine, aspartate, cytidine, cytosine, glucosamine, glutamine, glutamate, glycine, ornithine, proline, putrescine, L- and D-serine, threonine.  Nguồn khoáng: KH2PO4, K2HPO4, Na2HPO4.12H2O, MgSO4.7H2O, CaCl2, FeSO4.7H2O, ZnCl2.7H2O, MnSO4, CuSO4.5H2O, Mo7O2.4H2O, Co(NO3)  Các chất sinh trưởng: Folic acid, Biotin, Pyridoxine (B6), Riboflavin (B2), Thiamine (B1), Vitamin K, Vitamin B12, Nicotinic acid, Pantothenic acid, thymine. Hình 4: Vi khuẩn E.coli Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 11 2.3.2.3. Tổng hợp phenylalanine ở E.coli Hình 5: Sơ đồ tổng quan về các phản ứng trong trung tâm trao đổi chất của E. coli Chữ viết tắt được sử dụng: PTS: phosphoenolpyruvate phosphotransferase system Tkt: transketolase G6Pdh:glucose-6-phosphate dehydrogenase Tal: transaldolase Pgi: phosphoglucose isomerase Ppc: PEP-carboxylase Pyk: pyruvate kinase Pyk: PEP carboxykinase Pps: PEP synthetase G6P: glucose 6-phosphate F6P: fructose 6-phosphate GA3P: glyceraldehyde 3-phosphate PEP: phosphoenolpyruvate OAA: oxaloactetate 6P-Gnt: 6-phosphogluconate Rul5P: ribulose 5-phos-phate Rib5P: ribose 5-phosphate Xul5P: xylulose 5-phosphate Sed7P: sedoheptulose 7-phosphate E4P: erythrose 4-phosphate Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 12 Hình 6: Con đường sinh tổng hợp acid amin vòng thơm trong E. coli Để chỉ ra các loại quy định, các loại kí hiệu được sử dụng: – – –,kiểm soát phiên mã và dị lập thể bởi acid amin mạch vòng criptional; · · · , kiểm soát dị lập thể; —, kiểm soát phiên mã. Chữ viết tắt được sử dụng: ANTA, anthranilate; aKG, a-ketoglutarate; CDRP, 1-(o-carboxyphenylamino)-1- deoxyribulose 5-phosphate; CHA, chorismate; DAHP, 3-deoxy-d-arobino-heptulosonate 7-phosphate; DHQ, 3-dehydroquinate; DHS, 3-dehydroshikimate; EPSP, 5 enolpyruvoylshiki-mate 3-phosphate; E4P, erythrose 4-phosphate; GA3P, glyceraldehyde 3-phosphate; HPP, 4-hydroxyphenlypyruvate, I3GP, indole 3-glycerol- phosphate; IND, indole; l-Gln, l-glutamine; l-Glu, l-glutamate; l-Phe, l-phenylalanine; l-Ser, l- serine; l-Trp, l-tryptophan; Tyr, l-tyrosine; PEP, phosphoenolpyruvate; PPA, prephenate; PPY, phenylpyruvate; PRAA, phosphoribosyl anthranilate; PRPP, 5-phosphoribosyl-a-pyrophosphate; Pyr, pyruvate; SHIK, shikimate; S3P, shikimate 3-phosphate. Ở thể E.coli bình thường tyrosine được tổng hợp đồng thời với phenylalanine. Ở thể đột biến dị dưỡng tyrosine con đường tổng hợp tyrosine sẽ không có. Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 13 3. QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ Chuẩn bị nguyên liệu Thủy phân Chuẩn bị môi trường Lên men Dịch sau lên men Nguyên liệu Giống Enzyme amylase Glucose, tyrosine Nhân giống Hình 7: Sơ đồ khối quy trình lên men tạo phenylalanine Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 14 Tách sinh khối Trao đổi ion Cô đặc chân không Kết tinh Dịch sau lên men NH3 H2SO4 Ly tâm Sấy Đóng gói Phenylalanine Hình 8: Sơ đồ khối quy trình tinh sạch phenylalanine Sinh khối Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 15 4. GIẢI THÍCH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ 4.1. 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. 4.1.1. Làm sạch  Mục đích: Chuẩn bị: tách tạp chất ra khỏi nguyên liệu, tạo nguồn nguyên liệu sạch để đưa vào sản xuất.  Các biến đổi:  Vật lý: - Có sự thay đổi về tỉ trọng. - Khối lượng nguyên liệu giảm do tạp chất được tách ra.  Thiết bị:  Phương pháp thực hiện: bắp được đưa qua hệ thống làm sạch để lọai bỏ tạp chất.  Cấu tạo: - Cơ cấu nạp liệu. - Quạt hút: hút các tạp chất nhẹ, rác nhuyễn. - Sàng: loại bỏ các tạp chất nặng như đá, sỏi bị lẫn vào. Hình 9: 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…). Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 16 4.1.2. Nghiền  Mục đích: Quá trình nghiền nhằm mục đích phá vỡ màng tế bào, đồng thời giải phóng tinh bột ra khỏi tế bào. Chuẩn bị cho quá trình thủy phân tinh bột.  Các biến đổi:  Vật lý: - 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.  Thiết bị: Bắp ở dạng nguyên hạt khó bị thủy phân để tạo thành dịch đường, do vậy bắp cần phải được nghiền thật nhỏ, để phá vỡ cấu trúc tinh bột tạo điều kiện cho sự hút nước, trương nở hạt tinh bột, tạo điều kiện cho enzyme tiếp xúc với hạt tinh bột, thủy phân tinh bột thành dịch đường, có thể chọn thiết bị nghiền búa, nghiền trục…để thực hiện quá trình này. Trong khuôn khổ bài này giới thiệu máy nghiền búa. Dưới đây là hình ảnh và cấu tạo đơn giản của thiết bị nghiền búa. Hình 10: 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. Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 17 4.2. Thủy phân Gồm 3 quá trình: hồ hóa, dịch hóa, đường hóa. 4.2.1. Hồ hóa  Mục đích: Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình dịch hóa tiếp theo.  Các biến đổi:  Vật lý: - Dưới tác dụng của nhiệt, độ nhớt của dung dịch tăng và đạt giá trị cực đại . - Hạt tinh bột trương nở cực đại. - Thể tích hạt tinh bột cực đại.  Hóa lý: - Khả năng hòa tan tăng. - Dung dịch trở nên đồng nhất. - 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. 4.2.2. Dịch hóa  Mục đích: Phá vỡ cấu trúc của các hạt tinh bột giải phóng ra các sợi tinh bột dạng riêng lẻ.  Các biến đổi:  Vật lý: - Giảm độ nhớt. - 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. 4.2.3. 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. Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 18  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. - Làm nguội đến 60oC, đường hóa bằng chế phẩm enzyme thích hợp. Hình 11: Thiết bị thủy phân ở áp suất cao 4.3. Chuẩn bị môi trường - Mục đích: bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật, chỉnh pH. - Môi trường lên men: Glucose 20 g/l Tyrosine 0,3g/l Mg2SO4.7H2O 20 mg/l K2HPO4 0,25 g/l MnSO4 0,05 g/l Tryptone 5 g/l Dịch chiết nấm men 7 g/l - Môi trường sau khi được phối trộn sẽ được tiệt trùng. Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 19 4.4. Nhân giống  Mục đích: tăng số lượng vi sinh vật, chuẩn bị cho quá trình lên men.  Biến đổi: - Sinh học: Số lượng tế bào tăng lên (tăng sinh khối). - Hóa sinh: Các phản ứng trao đổi chất của vi sinh vật.  Phương pháp thực hiện: Chọn môi trường lên men có thành phần chính là glucose. Thành phần môi trường: - Glucose: 15 g/l - Mg2SO4.7H2O: 20 mg/l - K2HPO4: 0,25 g/l - MnSO4: 0,05 g/l - Tyrosine: 0,3 g/l - Dịch chiết nấm men: 10 g/l - Tryptone: 5 g/l  Thông số công nghệ: Điều kiện nhân giống: hiếu khí - pH: 6,5 (dùng dung dịch NH3 để điều chỉnh) - Nhiệt độ: 37oC - Thời gian: 35 - 45h - Tỷ lệ giống cấy: 10% Sau khi nhân giống xong cho toàn bộ canh trường vào bồn lên men. 4.5. Lên men  Mục đích: Chế biến: tạo điều kiện cho vi sinh vật sinh tổng hợp phenylalanine.  Biến đổi:  Vật lý: nhiệt độ lên men tăng do quá trình trao đổi chất sinh năng lượng.  Hóa lý: thay đổi độ nhớt, tạo những hợp chất keo.  Hóa học: hàm lượng cơ chất và thành phần dinh dưỡng giảm xuống, hàm lượng phenylalanine tăng lên.  Vi sinh: lượng sinh khối tăng lên, vi sinh vật sinh tổng hợp phenylalanine.  Phương pháp thực hiện: lên men tĩnh có bổ sung cơ chất. Thực hiện lên men hiếu khí, trong quá trình lên men có bổ sung glucose và tyrosine. Bổ sung glucose vào khi hàm lượng glucose trong môi trường giảm xuống tới mức 5g/l, dùng dung dịch có hàm lượng glucose 700 g/l bổ sung vào để giữ nồng độ glucose trong dung dịch ở mức 5g/l . Trong quá trình trao đổi chất, E. coli sẽ sử dụng nguồn cacbon để tạo ra 4 sản phẩm chính là: sinh khối, phenylalanine, acid acetic và CO2. E.coli sẽ có xu hướng sản xuất ra nhiều acid acetic khi môi trường lên men có hàm lượng đường cao. Tuy Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 20 nhiên nếu như lượng đường mà quá thấp thì tỷ lệ đường chuyển thành CO2 sẽ lớn. Do đó trong quá trình lên men ta chỉ giữ nồng độ đường glucose tối thích là 5 g/l. Hình 12: Bốn giai đoạn trong sản xuất L-phenylalanine có tính chất khác nhau cần kiểm soát khác nhau để thu được sản lượng cao trong thời gian ngắn nhất - Tyrosine được bổ sung ở mức 150 mg/h bằng cách hòa dung dịch 25 g/l tyrosine vào dung dịch 5% NH3 (pH =11) để tránh hiện tượng tyrosine kết tinh. Do E. coli dị dưỡng tyrosine là không thể tự tổng hợp được tyrosine nên ta cần bổ sung tyrosine vào môi trường lên men. Tuy nhiên chỉ cần bổ sung ở lượng tối thiểu để vi sinh vật đủ sử dụng.  Thiết bị: Sử dụng thùng lên men có cánh khuấy. Hình 13: Cấu tạo thiết bị lên men Hình 14: Thiết bị lên men Thiết bị lên men có dạng hình trụ đứng, bên trong có các cánh khuấy để đảo trộn môi trường và cung cấp O2 cho quá trình lên men, có lớp vỏ áo bên ngoài để điều chỉnh nhiệt độ Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 21 trong quá trình lên men, có ống dẫn và thoát khí, có đường dẫn để bổ sung cơ chất, cửa nhập liệu, các cảm biến để đo nhiệt độ, pH trong quá trình lên men, đường tháo sản phẩm ở đáy thiết bị.  Thông số công nghệ: - Thời gian lên men: 60h/mẻ hoặc lượng tế bào trong dịch lên men lên tới OD620 = 80 - pH: 6,5 - Nhiệt độ: 37oC - Hàm lượng phenylalanine tạo thành: 20,8 g/l - Tỷ lệ giống cấy: 10triệu TB/ml 4.6. Tách sinh khối Dịch sau lên men có chứa phenylalanine, sinh khối E. coli, cơ chất sót, các chất khoáng và một số sản phẩm phụ trong quá trình lên men.  Mục đích: Khai thác làm giàu cấu tử phenylalanine trong dịch sau lên men. Quá trình được thực hiện nhằm tách bỏ xác vi sinh vật và một phần tạp chất khỏi dung dịch sau lên men. Chuẩn bị cho quá trình trao đổi ion thu nhận phenylalanine.  Các biến đổi:  Vật lý: nhiệt độ dung dịch tăng, độ nhớt giảm.  Hóa lí: có sự tách pha (pha lỏng và pha rắn).  Hóa học: hầu như không thay đổi gì về thành phần hóa học nhưng nồng độ các chất bị thay đổi. Phenylalanine cũng bị tổn thất trong quá trình này.  Vi sinh: 99% vi sinh vật bị tách.  Phương pháp thực hiện: Ta có thể sử dụng nhiều phương pháp để tách sinh khối như: lọc, ly tâm, ly tâm lọc, ly tâm lắng. Trong bài sẽ sử dụng phương pháp tách sinh khối bằng thiết bị ly tâm lắng.  Thiết bị:  Cấu tạo: Máy ly tâm siêu tốc loại ống Ðây là loại máy có rotor nhỏ và dài để phân riêng các huyền phù và nhũ tương. Ðường kính của roto vào khoảng 200 mm, tỉ lệ giữa chiều dài roto với đường kính khoảng 5-7. Đầu trên của roto (nắp rotor) có một lỗ để nước trong đi ra, còn bã được giữ lại trong thành rotor và được tháo ra bằng tay. Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 22 Hình 15: Máy ly tâm siêu tốc loại ống  Nguyên lý hoạt động: Khi rotor quay với tốc độ cao tạo ra lực li tâm làm dung dịch trong ống ép sát vào vách ống. Phần lỏng cùng với các cấu tử hòa tan sẽ ra ngoài qua ống dẫn còn chất rắn là xác vi sinh vật bị giữ lại bên trong ống và được tháo ra sau.  Các yếu tố ảnh hưởng: - Độ nhớt: cao thì hiệu suất quá trình giảm. - Nhiệt độ: nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt, hiệu suất của quá trình tăng.  Thông số công nghệ: Tốc độ vòng quay 1000 vòng /phút. 4.7. Trao đổi ion và nhả hấp phụ  Mục đích: Khai thác: thu nhận phenylalanine bằng cột trao đổi ion.  Các biến đổi:  Vật lý: các phân tử dung môi và chất tan dịch chuyển vào bên trong cấu trúc vi xốp của các hạt nhựa theo nguyên tắc thẩm thấu, có lực hút tĩnh điện giữa các hạt tích điện âm trong cột và các ion dương trong dịch lên men.  Hóa học: thay đổi thành phần hóa học của mẫu nguyên liệu trước và sau khi xử lý.  Hóa lý: các cation bị hấp phụ vào cột trao đổi ion, một số cấu tử không tích điện cũng có thể bị hấp phụ trong mao dẫn của các hạt nhựa. Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 23  Phương pháp thực hiện: Acid hóa dịch lên men bằng H2SO4 về pH 4,0 , khi đó phenylalanine sẽ chuyển sang dạng cation hóa trị I. Cho dịch sau khi acid hóa qua cột nhựa trao đổi ion sulfo cationit. Dùng nước tách rửa các tạp chất khỏi cột sau đó tiến hành nhả hấp phụ tách phenylalanine bằng dung dịch amoniac 0,5- 5%.  Thiết bị:  Nguyên lý hoạt động: Thiết bị trao đổi ion được hoạt động dựa trên nguyên tắc mẫu lỏng tiếp xúc với một pha rắn. Trên bề mặt của pha rắn có chứa sẵn các ion. Một số ion trong mẫu lỏng sẽ thế chỗ các ion của pha rắn và ngược lại. Như vậy các ion của mẫu lỏng và của pha rắn đã hoán đổi vị trí cho nhau.  Cấu tạo: Thiết bị có dạng hình trụ đứng, đáy cầu được chế tạo bằng thép không rỉ, phía trên đáy là tấm lưới đỡ, cho các hạt nhựa trao đổi ion lên tấm lưới này. Dưới cùng tại cửa thoát là một tấm lưới lọc để ngăn cản sự cuốn trôi các hạt nhựa ra khỏi thiết bị. Phía bên trên các hạt nhựa là ống phân phối nguyên liệu. Sản phẩm được lấy ra tại cửa đáy. Hình 16: Các hạt nhựa trao đổi ion trong thiết bị trao đổi ion Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 24 Hình 17: Thiết bị trao đổi ion  Các yếu tố ảnh hưởng - Bản chất của ionit: các tương tác của các hạt nhựa với ion sẽ càng cao khi hóa trị của ion càng lớn. - Bản chất của mẫu nguyên liệu: thành phần và hàm lượng các cấu tử tích điện và không tích điện có trong mẫu, giá trị của các điện tích, pH, lực ion… - Nhiệt độ: khi tăng nhiệt độ thì sự khuếch tán của các cấu tử trong dung dịch sẽ nhanh hơn. Tuy nhiên nhiệt độ cao có thể gây ra những phản ứng phụ không mong muốn, đồng thời làm tăng chi năng lượng cho quá trình xử lý. - Thời gian: lưu lượng dòng thực phẩm đi qua cột ionit quá ngắn thì phản ứng trao đổi ion không hoàn toàn.  Thông số công nghệ: - Nhiệt độ: 450C - Thời gian: 30 – 45 phút - Tổn thất phenylalanine: 14 – 16% - pH: 4,0 4.8. Cô đặc chân không  Mục đích: Khai thác: làm giàu cấu tử phenylalanine trong dung dịch. Chuẩn bị: chuẩn bị cho quá trình kết tinh phenylalanine.  Các biến đổi:  Vật lý :có nhiều biển đổi xảy ra trong nguyên liệu như hàm lượng chất khô tăng, nhiệt độ tăng, độ nhớt tăng, tỉ trọng tăng, nhiệt độ sôi dung dịch tăng…  Hóa học: lượng nhỏ phenylalanine bị oxi hóa. Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 25  Hóa lý: nước bốc hơi.  Vi sinh: vi sinh vật còn sót trong dung dịch sau quá trình trao đổi ion có thể bị ức chế hoặc bị tiêu diệt.  Phương pháp thực hiện: Tiến hành cô đặc dung dịch trong nồi chân không ở nhiệt độ thấp, áp suất thấp (áp suất chân không) Ưu điểm : - Dùng hệ thống cô đặc chân không sẽ làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch. - Dùng hệ thống nhiều cấp sẽ tiết kiệm được nhiên liệu do tận dụng được hơi thứ từ nồi trước để gia nhiệt cho nồi sau.  Thiết bị:  Cấu tạo: Sử dụng thiết bị cô đặc chân không nhiều cấp. Cấu tạo của nồi cô đặc: thiết bị có dạng hình trụ, đáy cầu. Phía trên đỉnh là cửa thoát hơi thứ, xung quanh thiết bị có lớp vỏ áo để gia nhiệt. Hệ thống tạo áp suất chân không đuợc kết nối với thiết bị tại đỉnh nồi. Quá trình cô đặc được thực hiện trong điều kiện áp suất chân không.  Nguyên lý hoạt động: - Cô đặc bằng nhiệt ở áp suất chân không là quá trình làm bay hơi nước trong thực phẩm ở điều kiện áp suất chân không dưới tác dụng của nhiệt. - Dung dịch được cho vào buồng đốt để gia nhiệt, sau đó được chuyển sang buồng bốc có áp suất chân không để bốc hơi nước. Áp suất chân không trong buồng bốc được hình thành bằng 1 bơm chân không. Hình 18: Sơ đồ thiết bị cô đặc nhiều nồi Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 26  Các yếu tố ảnh hưởng - Yếu tố ảnh huởng đến tốc độ truyền nhiệt: sự chênh lệch nhiệt độ hơi bão hòa (tác nhân gia nhiệt) và nhiệt độ sôi của nguyên liệu; hiện tuợng cặn bám bề mặt trao đổi nhiệt, hiện tuợng màng biên, độ nhớt của dung dịch. - Yếu tố ảnh huởng đến hiệu quả kinh tế của quá trình cô đặc: • Hiện tuợng tạo bọt: trong quá trình cô đặc sẽ xuất hiện những bong bóng hơi, nếu dung dịch chứa các yếu tố làm bền hệ bọt thì sẽ tạo ra một lớp bọt trên bề mặt dung dịch trong thiết bị làm giảm tốc độ. • Tổn thất chất khô do hơi thứ: hơi thứ thoát ra khỏi thiết bị có thể lôi cuốn theo một số cấu tử dạng sương mù làm tổn thất chất khô của dung dịch.  Thông số công nghệ: - Nhiệt độ cô đặc: 60-70oC - Nồng độ phenylalanine đạt được: 50 – 60% 4.9. Kết tinh  Mục đích: Khai thác: thu nhận phenylalanine ở dạng rắn.  Các biến đổi:  Hóa lý: có sự hình thành pha rắn do hiện tượng kết tinh.  Vật lý: nồng độ chất khô trong pha lỏng thay đổi, độ nhớt tăng.  Phương pháp thực hiện: Thực hiện bằng phương pháp làm lạnh.  Thiết bị: Thiết bị kết tinh bằng phương pháp làm lạnh dạng tầng sôi. Nguyên lý hoạt động: dung dịch được làm lành đến nhiệt độ dung dich đạt nồng độ bão hòa. Khi đạt độ bão hòa thì bổ sung thêm mầm tinh thể để quá trình kết tinh diễn ra dễ dàng. Để đạt được độ tinh khiết của sản phẩm càng cao thì sau khi kết tinh người ta sẽ hòa tan tinh thể trong cồn (3 - 4 lần V) rồi cho kết tinh và làm đi làm lại nhiều lần, các tinh thể sẽ tách khỏi tạp chất. quá trình kết tinh có thể tổn hao tới 25 – 30% phenylalanine. Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 27 Hình 19: Thiết bị kết tinh bằng phương pháp làm lạnh  Các thông số công nghệ Nhiệt độ: 100C-120C 4.10. Ly tâm tách tinh thể  Mục đích: Khai thác: Quá trình ly tâm nhằm tách tinh thể phenylalanine ra khỏi dung dịch bằng lực ly tâm.  Các biến đổi: Hóa lý: xảy ra sự tách pha, các tính chất hóa lý trong mỗi pha bị thay đổi: tỷ trọng, độ nhớt,…  Phương pháp thực hiện: Dùng phương pháp ly tâm lọc để tách tinh thể phenylalanine kết tinh trong dung dịch.  Thiết bị: máy ly tâm lọc Hình 20: Thiết bị ly tâm lọc Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 28  Thông số công nghệ: - Tốc độ quay: 1000 vòng/phút - Thời gian ly tâm: 6 phút 4.11. Sấy  Mục đích  Hoàn thiện sản phẩm.  Bảo quản: giảm hàm ẩm của nước, kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm.  Các biến đổi  Vật lý: nhiệt độ tăng, khối lượng sản phẩm giảm.  Hóa học: không có nhiều biến đổi.  Hóa lý: hàm ẩm giảm, nước chuyển pha từ pha lỏng sang pha hơi.  Phương pháp thực hiện Phương pháp sấy chân không, tiến hành gia nhiệt sấy khô các nguyên liệu trong điều kiện chân không. Thiết bị sử dụng bơm chân không để hút khí và hút ẩm, buồng làm việc ở trạng thái chân không, tốc độ sấy khô được nâng lên đáng kể, đồng thời tiết kiệm nhiệt năng.  Thiết bị Hình 21: Thiết bị sấy chân không  Thông số công nghệ - Nhiệt độ sấy: 500C - Áp suất: 650 mmHg 4.12. Đóng gói Hoàn thiện và bảo quản sản phẩm. Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 29 5. SẢN PHẨM Trạng thái vật lý: dạng tinh thể trắng, không mùi. Độ tinh khiết: > 98,5% Phenylalanine được sử dụng như: - Thành phần trong thức ăn của chế độ ăn uống hàng ngày. - Là tác nhân ảnh hưởng đến hương vị (được sử dụng đối với thực phẩm nói chung; trường hợp ngoại lệ: sản phẩm ngũ cốc, rượu-nước giải khát). - Chất làm ngọt aspartame từ phenylalanine và aspartic acid, thường được sử dụng trong thực phẩm chế biến (các loại đồ uống và kẹo cao su). - Thành phần trong một số loại thuốc. Bảng 7: Chỉ tiêu sản phẩm phenylalanine Hình 22: Phenylalanine ở dạng bột Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 30 Lợi ích của phenylalanine Phenylalanine là một acid amin thiết yếu cần thiết cho hoạt động bình thường của hệ thần kinh trung ương. Nó đã được sử dụng thành công để giúp kiểm soát triệu chứng trầm cảm và đau mãn tính, cải thiện trí nhớ và tập trung, cũng như các bệnh khác có liên kết với hệ thống thần kinh trung ương. Phenylalanine đặc biệt hiệu quả cho điều trị rối loạn não bộ bởi vì nó có thể xâm nhập được hàng rào máu não. Hàng rào máu não là một hàng rào bảo vệ được hình thành bởi những hồng cầu và thần kinh đệm của não, bảo vệ não khỏi các độc tố, vi khuẩn, và virus … Phenylalanine tồn tại trong hai hình thức, D- phenylalanine và L- phenylalanine. L- phenylalanine là một acid amin được tìm thấy trong protein, mã hoá bằng DNA. Hình ảnh phản chiếu của nó, D-phenylalanine, có thể được tổng hợp nhân tạo. DL-phenylalanine là một hỗn hợp racemic bao gồm 50% D-phenylalanine và 50% L-phenylalanine. Trong cơ thể việc chuyển đổi L-phenylalanine thành L-tyrosine thông qua các enzyme L- phenylalanine hydroxylase . Tyrosine chuyển đổi tiếp thành L-dopa. L-dopa là một tiền chất cho dopamine, norepinephrine (Noradrenalin), và epinephrine (adrenaline) là ba dẫn truyền thần kinh cơ bản mà kiểm soát được cảm nhận và các tương tác của con người với môi trường. L-phenylalanine điều chỉnh tâm trạng, sự thèm ăn, và tinh thần tỉnh táo. L-phenylalanine có thể thúc đẩy sự phân chia tế bào của các tế bào hắc tố ác tính, kết hợp với UVA bức xạ trong điều trị vitiligo (một rối loạn sắc tố da). D-phenylalanine không thể chuyển đổi sang tyrosine được, nhưng nó có thể được chuyển đổi thành một hợp chất gọi là phenylethylamine có thể có tác dụng đến tâm trạng, điều trị trầm cảm và làm giảm đau mãn tính hiệu quả bằng cách kích thích đường thần kinh trong não kiểm soát cơn đau. DL-phenylalanine ảnh hưởng đến hai trạng thái tinh thần sự nhạy cảm và đau. Là thuốc giảm đau hiệu quả 500-1000 mg DL-phenylalanine là liều thích hợp, vào buổi sáng kết hợp với 25- 50 mg vitamin B6 và 500 mg vitamin C để hỗ trợ trong quá trình chuyển đổi tạo noradrenaline. Các triệu chứng của thiếu phenylalanine Bao gồm sự nhầm lẫn, thiếu năng lượng, thiếu tỉnh táo, giảm trí nhớ, biếng ăn, trầm cảm, thay đổi hành vi. Sự thiếu hụt quá nhiều có thể dẫn đến hạn chế tăng cân và chậm phát triển, thiếu máu, rụng tóc, và thậm chí tử vong. Vì là một trong các acid amin thiết yếu phenylalanine phải được bổ sung hàng ngày qua thực phẩm. Những người bị trầm cảm nhẹ có thể bổ sung phenylalanine từ các viên nang, viên nén, và dạng bột. Phenylalanine cũng được dùng để điều trị bệnh Parkinson và tâm thần phân liệt, nhưng không nên dùng bất kỳ hình thức bổ sung mà không có sự tư vấn của bác sĩ để sử dụng với liều lượng thích hợp và có thể có các tác dụng phụ. Phản ứng phụ của Phenylalanine DL-phenylalanine có thể gây ra lo lắng, bồn chồn và hiếu động thái quá ở trẻ em. Trẻ em bị rối loạn tăng động (ADHD) cần phải tránh những thực phẩm có chứa aspartame, được làm từ Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 31 phenylalanine. Liều lượng cao của DL-phenylalanine cũng có thể gây ra các tác dụng như buồn nôn và đau đầu. Trẻ em bị phenylketone niệu (PKU), một rối loạn trao đổi chất, thiếu enzyme phenylalanine hydroxylase cần thiết để phenylalanine dư có thể loại bỏ qua nước tiểu. Điều này có nghĩa với trẻ em bị PKU, phenylalanine không thể được loại bỏ và kết quả là nó tích tụ trong máu. Những người bị bệnh PKU không nên dùng bổ sung phenylalanine, các sản phẩm được làm ngọt bằng aspartame hoặc ăn thực phẩm có chứa một lượng lớn amino acid này. Nếu lượng phenylalanine vượt quá 5 mg một ngày có thể gây độc hại và gây thiệt hại thần kinh. Những người bị huyết áp cao hoặc đau nửa đầu không nên dùng phenylalanine hoặc thậm chí ăn thực phẩm giàu acid amin này, vì nó có thể làm nặng thêm tình trạng của họ. Đừng uống bổ sung phenylalanine kết hợp với thuốc chống trầm cảm, đặc biệt monoamine oxidase (MAO), vì có thể dẫn đến gai huyết áp nguy hiểm tính mạng. 6. THÀNH TỰU Sản xuất phenylalanine từ glycerol Gần đây, để giải quyết vấn đề giá dầu tăng cao do nhu cầu tiêu thụ tăng và ô nhiễm môi trường (gây ra bởi việc sử dụng dầu), đã có nhiều nghiên cứu phát triển và lựa chọn năng lượng thay thế bằng cách sử dụng vật liệu tái tạo trong tự nhiên. Trong số đó, ethanol thu được bằng cách lên men và dầu diesel sinh học thu được từ dầu thực vật được đánh giá cao như là một trong những lựa chọn thay thế năng lượng. Cho đến nay, glycerol thu được từ quá trình sản xuất xà phòng, acid béo, sáp. Tuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ trong sản xuất diesel sinh học, glycerol cũng sẽ tăng như là sản phẩm phụ của quá trình, do đó đặt ra vấn đề sử dụng hiệu quả các sản phẩm phụ bao gồm glycerol. Việc sản xuất L-phenylalanine là thường được thực hiện bởi quá trình lên men sử dụng glucose hoặc sucrose như là nguồn cacbon. Phương pháp sử dụng glycerol như một nguồn cacbon rẻ tiền và phổ biến để sản xuất L-phenylalanine là một phương có hiệu quả cao và chi phí thấp, bằng cách sử dụng vi khuẩn Escherichia coli biến đổi gen BL21 (DE3). Các biến đổi gen của Escherichia coli BL21 (DE3) có thể sản xuất L-phenylalanine ngoại bào. Escherichia coli hấp thu glycerol từ môi trường mà không đòi hỏi tiêu thụ năng lượng. Glycerol được chuyển đổi thành glycerol-3-phosphate bởi một kinase glycerol (GlpK), sau chuyển đổi sang dihydroxyacetonephosphate (DHAP) bởi một dehydrogenase glycerol-3-phosphate, và sau đó chuyển đổi sang glyceraldehyde-3-phosphate (G-3-P) bởi một isomerase triosephosphate (TpiA), để được chuyển hóa qua glycolysis. Trong trường hợp glycerol kinase không có hoạt động, glycerol được chuyển đổi để dihydroxyacetone (DHA) bởi một dehydrogenase glycerol (Gdh), sau chuyển đổi sang dihydroxyacetone phosphate (DHAP) bởi glycerol kinase hoặc dihydroxyacetone kinase (DHA kinase), và sau đó chuyển đổi sang glyceraldehyde-3- phosphate (G-3-P). Quá trình lên men được tiến hành ở 37°C, pH 7,4, sử dụng một bình lên men có cánh khuấy tốc độ khuấy đảo 300-500 vòng / phút tương ứng với 0,97-1,62 m/s và tốc độ sục khí 2-8 L/phút hoặc 1-4 VVM. Lên men hiếu khí này cần khuấy đảo, nhưng tốc độ khuấy > 1,62 m/s Phenylalanine GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 32 sẽ làm giảm sinh khối và năng suất L-phenylalanine, có thể do sự nhạy cảm của vi khuẩn tái tổ hợp. Trong điều kiện lên men tối ưu khuấy đảo 1,30 m/s, tốc độ sục khí 2-8 L/phút, sản lượng của L- phenylalanine từ glycerol được 0,58 g -1g, nhiều hơn hai lần năng suất tốt nhất đạt được trên sucrose (0,25g-1g). Trong trường hợp tốt nhất, nồng độ cực đại của L-phenylalanine thu được là 5,6 g/l. Việc sử dụng glycerol để sản xuất thương mại L-phenylalanine với E. coli BL21 (DE3) có khả năng giảm đáng kể chi phí sản xuất so với lên men bằng sucrose, glucose. 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Xuân Phương, vi sinh vật công nghiệp, NXB Xây Dựng, 2001. 2. Lê Ngọc Tú (chủ biên), La Văn Chứ, Đặng Thị Thu, Nguyễn Thị Thịnh, Bùi Đức Lợi, Lê Doãn Diên, Hóa Sinh Công Nghiệp, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội, 8/2005. 3. Lê Văn Việt Mẫn( chủ biên), Lại Quốc Đạt, Nguyễn Thị Hiền, Tôn Nữ Minh Nguyệt, Trần Thị Thu Trà, Công nghệ chế biến thực phẩm, NXB Đại học quốc gia TP.HCM,2/2010. 4. Võ Văn Bang- Võ Bá Minh( chủ biên), quá trình và thiết bị công nghệ hóa học & thực phẩm, tập 3, Truyền khối, NXB Đại học quốc gia TP.HCM, 3/2007. 5. Phạm Văn Bôn(chủ biên) – Nguyễn Đình Thọ, quá trình và thiết bị công nghệ hóa học & thực phẩm, tập 5, quá trình và thiết bị truyền nhiệt, quyển 1: truyền nhiệt ổn định, NXB Đại học quốc gia TP.HCM, 11/2006. 6. Võ Bá Minh- Hoàng Minh Nam, quá trình và thiết bị công nghệ hóa học & thực phẩm, tập 2, cơ học vật liệu rời, NXB Đại học quốc gia TP.HCM, 7/2004. 7. W.D.Phillips – T.J.Chilton, Sinh học, tập 1, NXB Giáo dục, 9/2007. 8. Rehm H.J., Reed G., Biotechnology, volume 6: Primary metabolites, VCH, Publishers, Weinheim, 1996. 9. Methee Khamduang, Jarun Chutmanop, Kanoktip Packdibamrung and Penjit Srinophakun, Optimization of medium composition for L-phenylalanine, production from glycerol using response surface methodology, 06/2009.