Đồ án Sản xuất GOS (hay Galacto-Oligosaccharides) từ enzyme β-galactosidase của các vi sinh vật khác nhau

1 MỤC LỤC: PHẦN 1: NGUYÊN LIỆU ĐƯỜNG LACTOSE: .............................................. 4 1.1. Công thức cấu tạo và tính chất vật lý : .................................................... 4 1.2. Sản phẩm lactose trên thị trường : .......................................................... 5 PHẦN 2: ENZYM β-GALACTOSIDASE ......................................................... 5 2.1. Giới thiệu chung: ..................................................................................... 5 2.2. Các phương pháp cố định enzyme: ......................................................... 8 2.3. Cố định enzym trên cotton ..................................................................... 11 PHẦN 3: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ .............................................................. 14 3.1. Sơ đồ khối: ............................................................................................ 14 3.3 So sánh 2 qui trình: ............................................................................... 31 PHẦN 4: SẢN PHẨM .................................................................................... 32 4.1. Giới thiệu chung: .................................................................................. 32 4.2. Chỉ tiêu chất lượng: ............................................................................... 34 4.3. Chức năng và ứng dụng: ....................................................................... 35 4.4. Hướng phát triển ứng dụng của GOS trong công nghệ thực phẩm: ....... 36 PHẦN 5: THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ: .......................................................... 36 PHẦN 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................ 41 2 Danh mục hình: Hình 1.1: Công thức cấu tạo phân tử α-lactose và β-lactose ............................... 4 Hình 1.2: Lactose trên thị trường ........................................................................ 5 Hình 2.1: Cơ chế hoạt động của enzyme _galactosidase ................................... 6 Hình 2.2: Quá trình cố định enzym lên PEI ...................................................... 13 Hình 3.1: Sơ đồ khối Sản xuất GOS dùng enzyme β-galactosidase tự do có nguồn gốc từ A. oryzae ..................................................................................... 14 Hình 3.2: Sơ đồ khối sản xuất GOS dùng enzyme β-galactosidase cố định bằng bông vải có nguồn gốc từ A. oryzae ................................................................. 15 Hình 3.3: Thiết bị phản ứng .............................................................................. 17 Hình 3.4: Ảnh hưởng của hàm lượng lactose ban đầu đến sự tạo thành GOS. .. 18 Hình 3.5: Biến đổi của các chất theo thời gian. ................................................ 19 Hình 3.7: Thiết bị xử lý bằng than hoạt tính. .................................................... 20 Hình 3.8: Mô hình thiết bị membrane tubular module. ..................................... 22 Hình 3.9: Nguyên tắc hoạt động của SMB ....................................................... 24 Hình 3.10: Mô tả sự khác nhau của các vùng ................................................... 25 Hình 3.11: hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi ............................................ 26 Hình 3.12: Nguyên lý thiết bị sấy phun ............................................................ 28 Hình 3.13: Thiết bị phản ứng ............................................................................ 29 Hình 4.1: Công thức cấu tạo Galactooligosaccharide ....................................... 33 Hình 5.1: Ảnh hưởng của nồng độ glucose đến năng suất tạo GOS ................. 38 3 4 PHẦN 1: NGUYÊN LIỆU ĐƯỜNG LACTOSE: 1.1. Công thức cấu tạo và tính chất vật lý : Lactose là một disaccharide do một phân tử glucose và một phân tử galactose liên kết với nhau tạo thành . Đường lactose tồn tại dưới hai dạng : - Dạng α-lactose monohydrat C12H22O11.H2O - Dạng β-lactose anhydrous C12H22O11 Hình 1.1: Công thức cấu tạo phân tử α-lactose và β-lactose Tỷ lệ hàm lượng giữa α-lactose và β-lactose phụ thuộc vào giá trị pH và nhiệt độ . Bảng 1.1: Một số tính chất vật lý của lactose Đại lượng Đơn vị đo α-lactose monohydrat β-lactose anhydrous Phân tử lượng Nhiệt độ nóng chảy Độ hòa tan ở 150C Góc quay cực Da 0C g đường / 100gnước độ 360 202 7 +89,4 342 242 50 +35 Lactose là đường khử . Độ ngọt của lactose thấp hơn nhiều so với các disaccharide và monosaccharide thường gặp . Nếu như độ ngọt của saccharose được đánh giá với chỉ số là 100 , của mantose là 32 , glucose là 74 , của frutose là 173 thì độ ngọt của lactose chỉ đạt 16. Lactose có thể bị thủy phân tạo ra 2 monosaccharide là glucose và galactose bởi enzyme β- galactosidase . 5 1.2. Sản phẩm lactose trên thị trường : Hình 1.2: Lactose trên thị trường - Tính chất : sản phẩm ở dạng tinh thể màu trắng hoặc bột tinh thể , có vị ngọt , tỉ trọng 1,525 , dễ dàng tan trong nước , không tan trong cồn , cloroform và ether . - Thành phần :  Lactose ≥ 98%  Protein ≤ 0,1%  Tro 0,1-0,3%  Hàm lượng ẩm 4-5%  Salmonella không có  Coliform không có  Tổng hàm lượng vi sinh vật nhỏ hơn 2000 cfu/g PHẦN 2: ENZYM β-GALACTOSIDASE 2.1. Giới thiệu chung: - _galactosidase là một lactase. Các "enzyme lactase" từ lâu đã được sử dụng để thủy phân lactose trong sản xuất của một số sản phẩm từ sữa, trong y học dùng làm thuốc hỗ trợ đường tiêu hóa. Enzyme β-galactosidase có thể được thu nhận từ động vật, thực vật cũng như vi sinh vật. Enzym được sản xuất từ vi sinh vật có năng suất và hoạt tính cao hơn so với enzym từ động vật và thực vật. Đặc tính của enzym phụ thuộc vào nguồn thu nhận, enzym từ các nguồn khác nhau có pH, nhiệt độ tối thích khác nhau. Không phải tất cả các nguồn enzym đều an toàn khi sử dụng trong công nghệ thực phẩm, các lactases từ nấm men (Kluveromyces lactis), nấm mốc (Aspergillus oryzae) và vi khuẩn (Circulans Bacillus), ba lactases này đã được thương mại và được công nhận là an toàn cho sản xuất thực phẩm. - β- galactosidase là enzym xúc tác phản ứng thủy phân liên kết β-1.4-D galactoside trong phân tử đường lactose tạo thành glucose và galactose. Sau đó người ta phát hiện ra 6 enzym cũng có thể tạo liên kết glycosidic giữa hai saccharide bằng cách loại bỏ nước trong phản ứng transgalactosylation. Vì thế enzym có thể tổng hợp các oligosaccharide . Ví dụ : GOS từ lactose. β- galactosidase thực hiện bằng cách cộng thêm galactose vào lactose. - Cơ chế phản ứng: E + S ES P + E - Trung tâm hoạt động của enzyme _galactosidase: Hình 2.1: Cơ chế hoạt động của enzyme _galactosidase 7 Bảng 2.1: Các nguồn β-galactosidase Vi khuẩn Escheridia coli Bacillus megaterium Thermus aquaticus Streptococcus lactis Streptococcus thermopillus Lactobacillus bulgaricus Lactobacillus helveticus Bacillus sp. Bacillus circulans Bacillus stearothermopillus Lactobacillus sporogenes Nấm mốc Neurospora crassa Aspergillus foetidus Aspergillus niger Aspergillus flavus Aspergillus oryzae Aspergillus phoenicis Mucor pucillus Mucor miehei Scopuloriopsis Alternari palmi Curvularia inaegualis Fusarium moniliforme Alternaria alternara Nấm men Kluyveromyces (Saccharomyces) lactis Kluyveromyces (Saccharomyces) fragilis Candida pseudotropicalis Wingea roberstii Thực vật Đào Mơ Hạnh nhân Hoa hồng dại Giống cỏ linh lăng Cà phê quả Động vật Ruột Não và các mô da 8 Bảng 2.2: Các điều kiện để sản xuất GOS từ β-galactosidase của các vi sinh vật khác nhau 2.2. Các phương pháp cố định enzyme: - Cố định enzym là giới hạn về mặt vật lý, định vị enzym trong một vùng không gian nhất định để duy trì hoạt động xúc tác của enzym mà có thể sử dụng nhiều lần và liên tục. - Cố định β-galactosidases có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của enzyme. Ví dụ : pH và nhiệt độ ổn định, các thông số động học … Nếu áp dụng đúng kỹ thuật cố định có thể cải thiện tính chất của β-galactosidases như tính ổn định ở pH và nhiệt độ họat động của enzyme. Enzyme cố định trong các hạt mang thường dẫn đến giảm 20-30% hoạt tính. - β-galactosidases có thể được cố định bởi một số phương pháp, như phương pháp liên kết cộng hóa trị, phương pháp cố định enzyme trong khuôn gel, phương pháp hấp phụ vật lý hoặc sự kết hợp của những phương pháp này. Vì mỗi phương pháp có những ưu điểm và 9 hạn chế riêng của nó, nên việc lựa chọn phương pháp thích hợp phụ thuộc vào các enzym, chất mang, phản ứng, điều kiện phản ứng …  Phương pháp liên kết cộng hóa trị: Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến. Trong phương pháp sử dụng 2 hoặc các hợp chất đa chức, có vai trò như là chất tạo liên kết cho các xúc tác sinh học. Các chất mang thường là polypeptide, polysaccharide, dẫn xuất của xenllulose… Các enzyme có thể liên kết cộng hóa trị với nhau tạo thành một đại phân tử không hào tan. Trong trường hợp cố định β-galactosidase, phương pháp này thường được sử dụng kết hợp với phương pháp cố định khác, chủ yếu là hấp phụ và cố định trong khuôn gel.  Phương pháp cố định enzyme trong khuôn gel: Phương pháp được dựa trên sự cố định của enzyme trong mạng gel của chất mang polyme hoặc membrane. Hạn chế chính là enzyme cố định có thể thất thoát trong quá trình sử dụng nhiều lần do kích thước phân tử nhỏ so với các mạng lưới chất mang. Nhược điểm tiếp theo là sự khuếch tán bị hạn chế. Phương pháp được phân thành năm loại chính: mạng gel, microcapsule, liposome, membrane, và đảo ngược micelle. Trong đó, phương pháp mạng gel là được sử dụng rộng rãi nhất. Những enzym này được cố định trong chất mang của các polyme tổng hợp hoặc tự nhiên. Alginate là một polysaccharide tự nhiên, được sử dụng kết hợp với gelatin để cố định β – galactosidase của A. oryzae. Tuy nhiên, các enzyme chỉ có 25% hoạt tính ban đầu.  Phương pháp hấp phụ vật lý: Đây là phương pháp đơn giản nhất và lâu đời nhất để cố định enzym lên chất mang. Phương pháp dựa trên tương tác giữa các enzym và chất mang, như liên kết hydro, tương tác kỵ nước, lực van der Waal, và sự kết hợp các liên kết. Ưu điểm: rẻ tiền, ít ảnh hưởng tới các enzym là protein hơn là hóa chất. 10 Bảng 2.3: Phương pháp cố định ß- galactosidase 11 2.3. Cố định enzym trên cotton 2.3.1. Nguyên liệu  Enzym β –galactosidase của A. oryzae: β-galactosidase từ Aspergillus oryzae có trọng lượng phân tử khoảng 90000 Dalton, hoạt tính enzym 106.742 LU /g (Tổng công ty phát triển enzyme New York, LU là lượng enzym cần thiết để giải phóng 1 mmol glucose mỗi phút từ lactose ở pH 4,5 ở 37oC).  Cotton: Vải bông là một vật liệu rẻ tiền và phổ biến rộng rãi trong vật liệu sợi. Nó có nhiều ưu điểm như diện tích bề mặt lớn, sức bền cơ học cao và độ xốp cao. Các miếng vải bông làm từ 100% cotton có cellulose từ 85-90%.  Polyethyleneimine (PEI): Polyethyleneimine [PEI; (C2H5N) n] là một polyamine tổng hợp với nhiều các nhóm amin. PEI đã được chấp nhận như là một chất mang trong công nghiệp cố định chất xúc tác sinh học. PEI có thể cố định cho các enzym hòa tan. Là một polymer tích điện dương tạo phức với các loại điện tích âm. PEI có thể được hấp thụ hay ghép đồng hóa trị. Khi liên kết đồng hóa trị, PEI tạo 2 hoặc nhiều liên kết chéo, thường là với glutaraldehyde. Khi PEI tạo phức, tương tác bị ảnh hưởng 12 bởi nồng độ muối, pH, và nồng độ các thành phần có thể kết tủa. Cục Quản lý dược thực phẩm (FDA) đã cho phép PEI như là một phụ gia thực phẩm trực tiếp trong thực phẩm cho con người. Trong bài này sử dụng PEI 50% (w / v) trung bình trọng lượng phân tử 750000 Dalton.  Glutaraldehyde (GA) Liên kết đồng hóa trị xảy ra ở những nhóm chức phản ứng như là nhóm cacbonyl của glutaraldehyde. Glutaraldehyde tương tác liên kết chéo với các nhóm amin. Hoạt tính tương đối của các enzyme mà không có liên kết chéo là 83%. Sau khi sử dụng lần đầu tiên hoạt tính tương đối giảm xuống còn 67.5% do sự thất thoát. Hoạt tính tương đối của enzyme liên kết chéo bằng glutaraldehyde không thay đổi (83%) và ổn định ngay cả sau khi sử dụng đến lần thứ tám. Trong bài này sử dụng GA 25% (w / v). 2.3.2. Phương pháp cố định Cố định enzym trên vải cotton có 3 bước chính: hấp phụ của PEI lên vải cotton, đưa enzym vào PEI-cotton, GA liên kết chéo với PEI-enzyme. Enzym cố định được giữ lạnh đông cho đến khi sử dụng. Cho 1 ml PEI có pH 8, nồng độ PEI 0.22% (w / v) được bổ sung vào 0.2 g các mảnh vải bông trong bình erlen 125 ml, PEI phân bố đồng đều đến chất mang. Sau khi hấp phụ PEI, cho 50 mg enzym vào bình (10 ml dung dịch enzyme 5 mg /ml). Khi bổ sung enzyme dung dịch có màu trắng đục. Sau đó được giữ ở nhiệt độ phòng trong 10-15 phút. Thông thường, sự ghép nối được hoàn thành khi màu trắng đục biến mất. Những miếng cotton PEI-enzyme cho vào GA 0.2% (w / v), pH 7.0 trong 5 phút. Sau đó được cho liên kết chéo với GA giữ trong thời gian 420 phút ở nhiệt độ phòng. Các miếng cotton có màu vàng ở cuối quá trình cố định. Cuối cùng, miếng cotton được rửa với nước cất. Phần đầu của cố định, phải nghiên cứu tìm các tỷ lệ PEI enzyme thích hợp bằng cách thay đổi nồng độ PEI và pH ban đầu, đó là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mức độ enzyme cố định trên cotton, pH của PEI được điều chỉnh bằng NaOH hay HCl. 13 Hình 2.2: Quá trình cố định enzym lên PEI So với các enzyme trong dung dịch, cố định enzyme β -galactosidase có nhiều ưu điểm trong sản xuất GOS, như enzyme có thể dùng lại, năng suất cao, cải thiện sự ổn định nhiệt, hoạt động liên tục, việc hình thành sản phẩm được kiểm soát, năng suất cao, enzyme không nhiễm vào sản phẩm. 14 Tạp chất Enzyme β- galactosidase tự do Lactose Nước Phản ứng Than hoạt tính Xử lý than hoạt tính Lọc Sản phẩm Tạp chất Tách GOS Cô đặc Sấy phun Mụi than & enzyme PHẦN 3: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ 3.1. Sơ đồ khối: 3.1.1. Sơ đồ 1: Sản xuất GOS dùng enzyme β-galactosidase tự do có nguồn gốc từ A. oryzae Hình 3.1: Sơ đồ khối Sản xuất GOS dùng enzyme β-galactosidase tự do có nguồn gốc từ A. oryzae 15 Tạp chất Enzyme β- galactosidase cố định Lactose Nước Phản ứng Than hoạt tính Xử lý than hoạt tính Lọc Sản phẩm Tạp chất Tách GOS Cô đặc Sấy phun Mụi than & enzyme 3.1.2. Sơ đồ 2: Sản xuất GOS dùng enzyme β-galactosidase cố định bằng bông vải có nguồn gốc từ A. oryzae Hình 3.2: Sơ đồ khối sản xuất GOS dùng enzyme β-galactosidase cố định bằng bông vải có nguồn gốc từ A. oryzae 16 3.2 Giải thích qui trình công nghệ 3.2.1 Qui trình 1: Sản xuất GOS dùng enzyme β-galactosidase tự do có nguồn gốc từ A. oryzae 3.2.1.1 Phản ứng  Mục đích công nghệ: chế biến Chuyển hóa lactose thành GOS .  Các biến đổi  Vật lý: nhiệt độ tăng.  Hóa học: nồng độ các chất thay đổi hàm lượng GOS, glucose, galactose tăng lên , hàm lượng lactose giảm do phản ứng thủy phân lactose. Hóa sinh: enzyme β-galactosidase xúc tác phản ứng thủy phân lactose. Sau phản ứng lượng GOS đạt được là 27% với 50% lactose đã được chuyển đổi hay phản ứng. Bảng 3.1: Thành phần các chất sau phản ứng. Các chất sau phản ứng Hàm lượng các chất(%) Lactose Glucose Galactose GOS 2OS 3OS 4OS 5OS 6OS 50.38 17.22 4.98 27.42 0.00 18.30 5.77 2.35 1.01  Hóa lý: hiện tượng bốc hơi nước, đường tinh thể hòa tan, độ nhớt thay đổi.  Vi sinh: không có thay đổi nhiều.  Phương pháp thực hiện: Cho dung dịch lactose đã tiệt trùng và được gia nhiệt tới 40oC vào bình phản ứng, giữ dung dich ở nhiệt độ 40oC. Cho cánh hoạt động với tốc độ 30 – 50 vòng/phút. Chỉnh pH dung dịch về 4.5 rồi bổ sung enzyme vào. Giữ nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình phản ứng. Khi phản ứng kết thúc, nâng nhiệt độ dung dịch đến 950 Cđể vô hoạt enzyme.  Thiết bị: Thiết bị dạng hình trụ, đáy cầu bằng thép không rỉ. Xung quanh thân dưới và đáy là lớp vỏ áo để giữ nhiệt cho dung dịch trong quá trình phản ứng. Phía trong có cánh khuấy. Một motor làm cánh khuấy quay được đặt phía trên đỉnh thiết bị. Cơ chất và enzyme được cho vào thiết bị qua cửa đỉnh. 17 Hình 3.3: Thiết bị phản ứng Người ta có thể đặt cảm biến nhiệt và pH trong thiết bị để theo dõi nhiệt độ và pH trong suốt quá trình phản ứng.  Các yếu tố ảnh hưởng:  Nhiệt độ và pH: Mỗi enzyme có một nhiệt độ và pH tối thích khác nhau. Tại nhiệt độ và pH tối thích này hoạt lực của enzyme sẽ là cao nhất. Đối với enzyme β-galactosidase có nguồn gốc từ A. oryzae thì pH tối thích là 4.5 và nhiệt độ tối thích là 40oC.  Enzyme: Trong điều kiện thừa cơ chất, vận tốc phản ứng phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzyme : Với: – vận tốc phản ứng; - nồng độ enzyme. Nhưng khi nồng độ enzyme quá lớn, cơ chất không đổi thì vận tốc phản ứng tăng chậm và tiến về cực đại. Do đó ta cần tính toán lượng enzyme sử dụng cho phù hợp để đạt được tốc độ phản ứng cao và không lãng phí enzyme. 18 Cơ chất: Hàm lượng lactose ban đầu trong môi trường là môt nhân tố quan trọng ảnh hưởng tối việc hình thành GOS. Lượng GOS thu được càng lớn khi môi trường chứa càng nhiều hàm lượng lactose. Hàm lượng lactose cũng ảnh hưởng tới loại GOS được taọ thành. Khi hàm lượng đường lactose ban dầu tăng thì hàm lượng các GOS có khối lượng phân tử lớn hơn sẽ tăng nhiều hơn hàm lượng các GOS có khối lượng phân tử thấp hơn. Bảng 3.2: Hàm lượng các loại GOS tạo thành trong môi trường có hàm lượng lactose khác nhau. Loại GOS Hàm lượng tạo thành trong môi trường lactose 50g/l Hàm lượng tạo thành trong môi trường lactose 500g/l 3OS 9.2% 18.3% 4OS 1.5% 5.5% 5OS 0.2% 3.1% 6OS 0% 1.1%) Tuy nhiên khi nghiên cứu môi trường tập trung lactose 400g/l và 500g/l người ta thấy chỉ có một khác biệt nhỏ về sản xuất GOS . Do đó, ta sẽ sử dụng môi trường chứa 400g/l lactose để sản xuất vì ở nồng độ lactose cao thì độ nhớt dung dịch cao và khả năng hòa tan của nó trong nước thấp sẽ dẫn tới khó khăn trong sản xuất. Hình 3.4: Ảnh hưởng của hàm lượng lactose ban đầu đến sự tạo thành GOS. Thời gian: Yếu tố thời gian là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng tới quá trình sản xuất GOS. Nếu thời gian quá ngắn hiệu suất chuyển đổi lactose không cao và GOS tạo thành không nhiều, nhưng thời gian quá dài tuy hiệu suất chuyển đổi của lactose vẫn tăng nhưng hàm lượng GOS tạo thành lại giảm. Hai đồ thị dưới thể hiện mối quan hệ giữa thời gian phản ứng, tỉ lệ lactose 19 được chuyển đổi, và tỉ lệ GOS tạo thành. Dựa vào đồ thị ta tính toán được thời gian phản ứng thích hợp của phản ứng là 37.5h. Hình 3.5: Biến đổi của các chất theo thời gian. Hình 3.6: Giản đồ biểu diễn hàm lượng GOS tạo thành theo phần trăm chuyển đổi của lactose.  Thông số công nghệ:  Nhiệt độ phản ứng: 40oC.  pH: 4.5.  Tốc độ khuấy: 30 – 50 vòng/phút.  Thời gian: 37.5h.  Lactose cho vào:400g/l.  Lượng enzyme cho vào: 1mg/ml đối với chế phẩm enzyme có hoạt tính 106.742 LU/g (Tổng công ty phát triển enzyme New York, LU là lượng enzym cần thiết để giải phóng 1 mmol glucose mỗi phút từ lactose ở pH 4,5 ở 37oC). 20 3.2.1.2 Tách các tạp chất bằng than hoạt tính:  Mục đích công nghệ : khai thác tách các tạp chất trong dung dịch.  Các biến đổi: có sự hấp thụ chất màu lên bề mặt than hoạt tính.  Nguyên tắc hoạt động: Than hoạt tính là vật liệu carbon có độ xốp cao. Khả năng hấp thụ của than hoạt tính lớn hơn than thường 50-60 lần. Bề mặt riêng của than hoạt tính có thể đạt đến 1300- 1700m2/g. Than hoạt tính có thể hấp thu nhiều loại tạp chất, đặc biệt là chất màu và chất mùi. Bơm dung dịch chứa GOS sau phản ứng vào thiết bị dạng cột chứa than hoạt tính. Chọn lưu lượng dòng chảy sao cho hỗn hợp đủ thời gian tiếp xúc với than hoạt tính, để cho các chất màu có thể hấp thụ lên than hoạt tính, sản phẩm đươc làm sạch theo yêu cầu.  Thiết bị: đường kính thân 0.7m và chiều cao là 4.2m. Hình 3.7: Thiết bị xử lý bằng than hoạt tính. 1-tấm lưới; 2-vị trí đặt cảm biến nhiệt; 3- cửa nạp hơi; 4- cửa tháo sản phẩm và thoát hơi; 5-cửa nạp than; 6-thân thiết bị; 7- cửa tháo than; 8-cửa nạp nguyên liệu 21  Thông số công nghệ:  Nhiệt độ: 700C  Thời gian lưu: 3 phút 22 3.2.1.3 Lọc membrane:  Mục đích công nghệ: khai thác tách enzyme và mụi than ra khỏi dung dịch.  Các biến đổi:  Vật lí: sau quá trình lọc bằng membrane, có sự thay đổi tính chất vật lí của dòng sản phẩm so với nguyên liệu ban đầu. (tỉ trọng, độ nhớt, độ đục, nhiệt độ sôi…).  Thiết bị, nguyên tắc hoạt động: Sử dụng membrane mô hình ống (tubular module) loại UF. Chiều dài ống hình trụ là 10m, đường kính mao dẫn là 0.015µm, đường kính ống hình trụ ngoài là 2.5m, đường kính ống hình trụ trong là 2m. Hình 3.8: Mô hình thiết bị membrane tubular module.  Quá trình phân riêng bằng membrane cho ta hai dòng sản phẩm: dòng sản phẩm đi qua membrane được gọi là permeat, dòng không qua membrane gọi là retentate.  Thiết bị là hai ống hình trụ đồng trục làm bằng thép không rỉ, đường kính khác nhau và được đặt lồng vào nhau. Ống hình trụ bên trong có thân được đục lỗ. Membrane dạng tấm được cuộn tròn lại để tạo thành hình ống và được lồng ép vào thành bên trong của ống hình trụ có đường kính nhỏ. Dung dịch chứa nguyên liệu được bơm được ào một đầu bên trong ống hình trụ đường kính nhỏ. Dòng retentate sẽ thoát ra đầu bên kia của ống hình trụ này. Còn dòng permeat sẽ chui qua các mao dẫn của membrane và thoát ra thành bên ngoài của ống hình trụ nhỏ rồi theo đường dẫn để đi ra ngoài thiết bị. 23  Trong qua trinh này: dòng cần thu nhận là dòng permeat chứa GOS.  Thông số công nghệ:  Áp lực qua membrane: 1-2 bar  Nhiệt độ : 40-45oC 3.2.1.4 Sắc kí:  Mục đích: Khai thác GOS từ dịch đường thô sau phản ứng.  Các biến đổi:  Hóa học: tăng nồng độ GOS trong dung dịch.  Hóa lí: có sự hấp phụ và rửa giải các cấu tử trong dung dịch.  Sinh học: không đáng kể.  Phương pháp: sử dụng sắc kí lọc gel để tinh sạch  Thiết bị: Ứng dụng hệ thống Simulated-moving bed (SMB)  SMB là một hệ thống sắc kí liên tục tinh vi và phức tạp nhất, được áp dụng trong các qui trình liên tục, pha động là dòng chất lỏng, pha tĩnh là chất hấp phụ đặt trong các cột. Có sự giả định về sự chuyển động tương đối giữa hai pha theo chiều ngược nhau.  Cấu trúc của hệ thống: SMB là một hệ thống thường gồm 6 đến 12 cột đựợc kết nối với nhau tạo thành một dãy có hình vòng tròn, bề mặt phía trong mỗi cột có bố trí các chất hấp phụ thích hợp. Đầu mỗi cột được bố trí 4 van hai chiều tương ứng với 4 dòng: dòng nhập liệu, dòng chất tái sinh cột, dòng chất tinh lọc, dòng chất chiết tách. Trong đó, dòng nhập liệu và dòng chất tái sinh cột là hai dòng vào liên tục, dòng chất tinh lọc và dòng chất chiết tách là hai dòng ra liên tục. Bốn dòng này được luân chuyển trong các cột và tốc độ dòng chảy cũng được điều chỉnh nhờ bơm. SMB được chia thành 4 vùng:  Vùng 1: giữa dòng chất tái sinh cột và dòng chiết tách có sự giải hấp phụ của những chất bị hấp phụ nhiều (có ái lực cao đối với chất hấp phụ)  Vùng 2: giữa dòng chất chiết tách và dòng nhập liệu có sự giải hấp phụ so với những chất ít bị hấp phụ (có ái lực thấp đối với chất hấp phụ)  Vùng 3: giữa dòng nhập liệu và dòng chất tinh lọc có sự hấp phụ các chất bị hấp phụ nhiều  Vùng 4: giữa dòng chất tinh lọc và dòng chất tái sinh cột có sự giải hấp phụ chất ít bị hấp phụ  Thông số hệ thống: Pha tĩnh:  Sử dụng hạt gel HW40 với các thông số sau  Kích cỡ hạt: 50 – 100 µm  Hạt có cấu trúc dạng tổ ong với kích thước lỗ là 50Å  Pha động: 2_propanol 2% (Baker,Deventer, The Netherlands)  Chất rửa giải hạt gel: NaOH 0.5M (Merck) 24  Các thông số: Hình 3.9: Nguyên tắc hoạt động của SMB  Nguyên tắc hoạt động:  Ở hệ thống này luôn có sự thay đổi vị trí của dòng nhập liệu, dòng raffinate, dòng eluent, và dòng extract, các dòng này thay đổi vị trí theo chiều kim đồng hồ như hình 13. Sau mỗi lần thay đổi vị trí các dòng này thì các cột trong vùng cũng thay đổi. Như trên hình 13, khi thay đổi vị trí các dòng (vị trí mũi tên nét liền chuyển sang vị trí mũi tên nét đứt), cột 7 lúc đầu ở vùng 3 sẽ chuyển sang vùng 2, cột 4 lúc dầu vùng 2 sẽ chuyển sang vùng 1, cột 1 lúc đầu ở vùng 1 chuyển sang vùng 4, côt11 lúc đầu ở vùng 4 sẽ chuyển sang vùng 3. Chính vì sự luân chuyển này làm cho pha động và pha tĩnh của hệ thống di chuyển theo chiều ngược nhau. Dựa trên cơ sở này ta có thể ứng dụng hệ thống để tách tách GOS ra khỏi hỗn hợp sau lên men như sau:  Hỗn hợp sau lên men được làm sạch sơ bộ sẽ đi vào hệ thống sắc kí SMB qua cửa nhập liệu. Từ cửa nhập liệu hỗn hợp được đẩy vào vùng III, ở đây các hạt gel sẽ hấp thụ các cấu tử có kích thước nhỏ tương thích với lỗ gel và có ái lực lớn với hạt gel như: galcctose, glucose, lactose,…đồng thời sẽ giữ các cấu tử lớn và có ái lực thấp với hạt gel (GOS) bên ngoài. Pha tĩnh sẽ đẩy GOS ra ngoài ở cửa thoát của chất tinh lọc tại cuối vùng III 25 (Raffinate). Ở cửa thoát có bố trí màng lọc (pervaporation) tách đường GOS ra khỏi pha động. Hỗn hợp còn lại tiếp tục được vận chuyển vào vùng IV, trong các cột ở vùng IV các cấu tử tiếp tục hấp thụ vào hạt gel, các cấu tử đó phần lớn là GOS còn xót lại. Khi hỗn hợp vào vùng I,dung dịch NaOH 0.5 M sẽ được đưa vào các cột trong vùng qua cửa eluent để rửa giải các hạt gel trong các cột ở vùng 3, các cấu tử được hấp thụ trong hạt gel như: galcctose, glucose, lactose,…bị giải hấp thụ và thoát ra ngoài ở cửa dành cho chất chiết tách (extract). Ở cửa này để đảm bảo sự tuần hoàn của pha động ta sẽ tách pha động và dịch chiết bằng màng membrane (pervaporation). Phần hỗn hợp còn lại đi tiếp vào vùng II, ở vùng này có sự giải hấp phụ phần GOS còn xót bị hấp phụ ở vùng 4. Hỗn hợp còn lại đi vào vùng 2 sẽ mang GOS vừa giải hấp phụ hoà nhập với dòng nhập liệu mới vào và tiếp tục quá trình tinh sạch. Hình 3.10: Mô tả sự khác nhau của các vùng 26 3.2.1.5 Cô đặc  Mục đích: Khai thác làm tăng nồng độ sản phẩm, chuẩn bị cho quá trình sấy phun tiếp theo  Biến đổi:  Hóa học: hàm lượng chất khô tăng  Hóa lý: hoạt độ nước trong nguyên liệu giảm  Vật lý: tăng độ nhớt, tăng tỷ trọng, tăng nhiệt độ, khối lương và thể tích nguyên liệu giảm  Thực hiện: sử dụng thiết bị cô đặc chân không nhiều nồi Hình 3.11: hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi  Nguyên tắc hoạt động:  Dung dịch được cho vào buồng đốt và được hơi nước bão hòa gia nhiệt đến điểm sôi, sau đó được chuyển sang buồng bốc có áp suất chân không để bốc hơi nước. Hơi thứ bốc ra được dùng để gia nhiệt cho nồi tiếp theo  Áp suất chân không trong buồng bốc được hình thành bằng bơm chân không.  Ưu điểm :  Dùng hệ thống cô đặc chân không sẽ làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm sự ảnh hưởng của nhiệt đến chất lượng sản phẩm  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  Thông số công nghệ : 27  Nhiệt độ cô đặc: 75oC  Áp suất: 0.6atm 3.2.1.6 Sấy phun  Mục đích: khai thác.  Biến đổi:  Hóa học: hàm lượng chất khô tăng  Hóa lý: Độ ẩm giảm, nguyên liệu dạng lỏng chuyển sang dạng bột  Vật lý: nhiệt độ tăng  Thực hiện: Sử dụng hệ thống sấy phun  Caloriphe để gia nhiệt cho tác nhân sấy  Cơ cấu phun sương ly tâm với rãnh thoát hinh tròn  Buồng sấy hình trụ đáy côn  Cyclone thu hồi sản phẩm  Nguyên tắc hoạt động, gồm 3 giai đoạn:  Giai đoạn 1: chuyển dịch đường cần sấy thành dạng sương mù nhờ cơ cấu phun sương, kích thước các giọt lỏng sau giai đoạn phun dao động trong khoảng 10- 200m  Giai đoạn 2: hòa trộn sương mù với dòng tác nhân sấy trong buồng sấy, đây chính là giai đoạn tách ẩm ra khỏi nguyên liệu, thời gian khoảng từ vài giây đến vài chục giây  Giai đoạn 3: tách sản phẩm ra khỏi dòng tác nhân sấy bằng hệ thống cyclone Sau khi sấy phun ta có thể tiếp tục sấy tầng sôi để đạt đến độ ẩm yêu cầu của sản phẩm  Thông số công nghệ:  Thời gian sấy: 10-15s  Nhiệt độ đầu vào của không khí: 160-170oC  Độ ẩm sản phẩm: 5% 28 Hình 3.12: Nguyên lý thiết bị sấy phun 3.2.2 Qui trình 2: Sản xuất GOS dùng enzyme β-galactosidase cố định bằng bông vải có nguồn gốc từ A. oryzae. Cách cố định enzyme được trình bày ở mục 2.3.2. 3.2.2.1 Phản ứng  Mục đích công nghệ: chế biến Chuyển hóa lactose thành GOS .  Các biến đổi  Vật lý: nhiệt độ tăng  Hóa học: nồng độ các chất thay đổi hàm lượng GOS, glucose, galactose tăng lên , hàm lượng lactose giảm do phản ứng thủy phân lactose. Hóa sinh: enzyme β-galactosidase xúc tác phản ứng thủy phân lactose. Trong nghiên cứu lượng GOS tối đa có thể tạo thành là 25.74%(w/w). Tuy nhiên trong thực tế sản xuất thì lượng GOS tạo thành chỉ là 23%(w/w). Bảng dưới đây là thành phần các chất trong hỗn hợp sau phản ứng với giả thiết là lượng GOS tạo thành là 25.74%(w/w). Bảng 3.3: Bảng thành phần các chất trong hỗn hợp sau phản ứng. Thành phần hỗn hợp sau phản ứng Khối lượng 6OS(%) 5OS(%) 4OS(%) 3OS (%) total GOS (%) lactose(%) 2OS(%) Glucose(%) Galactose(%) lactose conversion (%) 0 2.18 5.05 18.50 25.74 50.6 0 14.81 8.80 59.36  Hóa lý: hiện tượng bốc hơi nước, đường tinh thể hòa tan, độ nhớt thay đổi.  Vi sinh: không có thay đổi nhiều.  Phương pháp thực hiện: Dùng bơm bơm dung dịch lactose đã tiệt trùng và được gia nhiệt tới 45oC và chỉnh pH=6 vào thiết bị phản ứng từ phía đáy. Dung dịch đi từ phía đáy thiết bị lên trên, đi qua lớp bông vải cố định enzyme β-galactosidase ở giữa thân thiết bị và phản ứng sẽ được xảy ra với sự xúc tác của enzyme cố định trong bông vải. sau đó dung dịch sẽ được thu nhân ở phía đỉnh của thiết bị . Dung dịch trong thiết bị sẽ được giữ ở nhiệt độ 45oC lớp vỏ áo của thiết bị.  Thiết bị: Thiết bị dạng hình trụ, thân làm bằng thép không rỉ. Xung quanh thân dưới và đáy là lớp vỏ áo để gia nhiệt bằng hơi. Enzyme β-galactosidase cố định trong bông vải được đặt ở giữa và dọc 29 theo thân thiết bị và giữa hai lớp bông liên tiếp sẽ có một tấm lưới làm bằng thép không rỉ như hình bên dưới. Cơ chất được đưa vào thiết bị từ phía đáy thiết bị nhờ bơm. Dung dịch sau phản ứng đi ra ở đỉnh thiết bị. Người ta có thể đặt cảm biến nhiệt và pH trong thiết bị để theo dõi nhiệt độ và pH trong suốt quá trình phản ứng. Hình 3.13: Thiết bị phản ứng  Các yếu tố ảnh hưởng: tương tự với enzyme β-galactosidase tự do  Nhiệt độ và pH: ở nhiệt độ và pH khác nhau thì hàm lượng GOS và lượng lactose chuyển đổi cũng khác nhau. Tuy nhiên nhiệt độ và pH tối thích có thay đổi so với enzyme β-galactosidase tự do. Nhiệt độ tối thích tăng Top= 45oC, pH tối ưu của enzyme được cố định bị chuyển dich sang vùng kiếm hơn so với enzyme tự do. Trong trường hợp này pH tối thích của enzyme cố định là pH=6  Enzyme: sản xuất GOS cũng phụ thuộc hàm lượng enzyme β-galactosidase được cố định trên bông vải  Cơ chất: tương tự đối với enzyme tự do.  Thời gian: Theo thời gian lượng lactose tham gia phản ứng tăng nhưng phần tăm GOS tạo thành không tăng đều theo mà ban đầu tăng đặt cực đại rồi giảm vì vậy ta cần chọn thời gian thích hợp để thực hiện phản ứng hay lưu dung dịch trong thiết bị . 30 Hình 3.14: Sự thay đổi hàm lượng của các chất theo thời gian. Từ đồ thị trên ta nhận thấy hàm lượng GOS trong dung dịch cực đại khi lượng lactose chuyển đổi là 58.2% . Thời gian tương ứng với lượng lactose chuyển đổi này là 278 phút. Thời gian lưu phụ thuộc vận tốc dòng cơ chất và chiều cao của thiết bị hay chính xác là chiều cao của các lớp bông vải cố định enzyme β-galactosidase.  Thông số công nghệ:  Nhiệt độ phản ứng: 45oC  pH: 6  Thời gian lưu: 278 phút  Hàm lượng lactose trong môi trường đưa vào: 400g/l  Lượng enzyme cố định trên bông vải: 250mg/g cotton, họat tính của chế phẩm enzyme là 88 LU/g Enzyme . Các quá trình tiếp theo: xử lý than họat tính , lọc , tách GOS , cô đặc, sấy phun được tiến hành như qui trình 1. 31 3.3 So sánh 2 qui trình: Bảng 3.4: So sánh hai quy trình Đối tượng Quy trình 1 Quy trình 2 Họat tính enzyme Cao hơn, chỉ sử dụng một lần Thấp hơn, sử dụng nhiều lần % GOS trong dung dịch sau phản ứng 27.42% 25.74% % Lactose chuyển đổi 50% 58.28% Năng suất Quá trình gián đọan, thời gian phản ứng lâu nên năng suất không cao Quá trình liên tục , thời gian phản ứng nhanh nên năng suất cao hơn Khả năng tự động hóa Quá trình gián đọan, khó điều khiển phản ứng do sử dụng enzyme tan nên khả năng tự động hóa không cao. Quá trình liên tục, sử dụng enzyme cố định nên dễ điều khiển phản ứng, khả năng tự động hóa cao. Chi phí thiết bị phản ứng Thiết bị đơn giản, rẻ tiền. Thiết bị phức tạp, mắc tiền. Hiệu quả kinh tế Thấp Cao Nhận xét: - Chi phí sản xuất: + Lúc đầu lượng enzyme sử dụng ở qui trình 2 nhiều hơn qui trình 1. Tuy nhiên, nhờ phương pháp cố định nên enzyme ở qui trình 2 có thể tái sử dụng được, enzyme ở qui trình 1 chỉ dụng được một lần. - So sánh qui trình 2 so với qui trình 1: + Ưu điểm:  Enzyme được sử dụng nhiều lần nhờ phương pháp cố định.  Năng suất lớn hơn do thời gian cần lưu ngắn hơn.  Khả năng tự hóa cao hơn. + Nhược điểm:  Lượng enzyme sử dụng trên cotton lớn.  Họat tính enzyme khi cố định bị giảm.  Thiết bị phản ứng phức tạp.  Tuy lượng lactose chuyển đổi lớn nhưng lượng GOS tạo thành lại thấp hơn. 32 PHẦN 4: SẢN PHẨM 4.1. Giới thiệu chung: - GOS là thành phần tự nhiên trong sữa mẹ, cũng như trong các loại thực phẩm phổ biến khác bao gồm hành tây, tỏi, chuối, đậu nành, rau diếp…. Tuy nhiên, hàm lượng GOS trong những thực phẩm này là quá thấp để có thể tác động đáng kể. Vì vậy, nó có thể bổ sung GOS thông qua chế độ ăn uống hằng ngày. - Công thức hóa học của Galacto-oligosaccharides là (galactose) n – Glucose. 33 Hình 4.1: Công thức cấu tạo Galactooligosaccharide - Liên kết giữa galactose-galactose là các liên kết β-(1-3), β-(1-4), β-(1-6) glycosides, trong đó liên kết β-(1-4) chiếm ưu thế. Liên kết giữa galactose và glucose chủ yếu là liên kết β-(1-4). - Một số disaccharide khác cũng có mặt trong GOS (ví dụ: allolactose và galactobiose). - Galacto-oligosaccharides thuộc về nhóm các saccharide không thể tiêu hóa được . Đóng vai trò gần như là chất xơ trong thực phẩm. Chính quyền ở một số nước cho phép galacto- oligosaccharides được dán nhãn thực phẩm như chất xơ. Chất xơ trong thực phẩm có thể được chia làm hai loại: o Chất xơ hòa tan, có độ nhớt và có thể lên men được. o Chất xơ không hòa tan, không thể lên men được. - Galacto-oligosaccharides thuộc nhóm phân loại đầu tiên, bởi vì chúng có khả năng hòa tan hoàn toàn và được lên men bằng vi sinh vật. - Galacto-oligosaccharides có độ hòa tan cao và độ ngọt khoảng 35% so với saccharose. - Galacto-oligosaccharides khá bền ở điều kiện nhiệt độ cao.Sự ổn định của GOS trong điều kiện axit và nhiệt độ cao nên chúng khó bịbiến đổi về tính chất, từ đó chúng được sử dụng trong nhiều loại thực phẩm khác nhau. Ví dụ như Oligomate 55 (một loại Galacto- oligosaccharides) khá bền trong điều kiện đun nóng 160 º C (10 phút) và pH tương đương với 2. Nếu ở cùng điều kiện một nữa sucrose đã bị biến tính. - Ngay cả trong axit điều kiện ở nhiệt độ phòng, GOS vẫn có thể tồn tại trong thời gian lưu trữ lâu dài. Từ đó có thể thấy rằng sự ổn định của GOS là tốt hơn Fructo-oligosaccharides (FOS). - Theo Roberfroid và Slavin đánh giá liều lượng chấp nhận được của GOS rất khó khăn vì tùy thuộc vào mức độ chấp nhận tại hệ thống đường ruột của mỗi người. Tuy nhiên, việc sử dụng quá nhiều GOS có thể gây ảnh hưởng không tốt cho đường ruột, gây đầy hơi hoặc tiêu 34 chảy.Ví dụ, galactooligosaccharides tiêu thụ cao hơn 20g/day, và fructooligosaccharides tiêu thụ cao hơn 40g/day được khuyến cáo là dễ gây tiêu chảy. - Một nghiên cứu ở người cho thấy, so với Fructo-oligosaccharides (FOS), khi sử dụng galacto-oligosaccharides (GOS) lượng khí Hidro trong hơi thở ít hơn và ít bị đầy hơi hơn. - Giá trị năng lượng của các galactooligosaccharides là tương đối thấp vì chúng rất khó bị thủy phân và hấp thụ. Một phần của năng lượng của galactooligosaccharide được hấp thụ trong quá trinh lên men. - Giá trị năng lượng của galacto-oligosaccharides đã được ước tính là 1,0-2,0 kcal /g. 4.2. Chỉ tiêu chất lượng: Bảng 4.1:chỉ tiêu chất lượng của Galactooligosaccharide: GOS (%) (intotal sugar) 45 60 30 45 Cảm quan Trạng thái Dạng lỏng đục và nhớt Dạng bột trắng hay vàng Mùi (smell) Không mùi Vị (taste) Vị ngọt Thành phần khác Chất khô (%) 75 95 GOS (%) (intotal sugar) 45 60 30 45 Anhydrous Lactose (%) ≤ 23 Anhydrous glucose (%) ≤ 22 Galactose (%) ≤ 0.8 PH 3.2-6.0 3.2-3.8 3.2-6.0 3.2-6.0 Tro (%) ≤ 0.3 Chỉ tiêu vi sinh Coliforms (/g) 0 Nấm men (cfu/g) ≤ 50 Nấm mốc (cfu/g) ≤ 50 Samonella (/25g) 0 Staphylococcus (/g) 0 35 4.3. Chức năng và ứng dụng:  GOS được bổ sung vào thực phẩm để hổ trợ hệ tiêu hóa ở người. Ví dụ, Vivinal GOS là một loại chất xơ tự nhiên được chiết xuất từ sữa, hoàn toàn không có chất phụ gia. Vivinal GOS giúp hấp thu tốt các dưỡng chất nhờ 3 cơ chế sau đây: - Tăng diện tích tiếp xúc giữa màng ruột và dưỡng chất: Màng ruột với các sợi lông nhỏ chính là tấm màng lọc mà các chất dinh dưỡng phải đi qua đó mới vào được huyết quản đi nuôi cơ thể. Chính vì thế việc tăng diện tích tiếp xúc giữa màng lọc và chất dinh dưỡng sẽ giúp hấp thu nhiều dưỡng chất hơn, ngăn ngừa việc dưỡng chất bị giữ lại bên ngoài màng lọc và thải ra ngoài. - Tăng cường sức khoẻ đường ruột: Vivinal GOS sẽ tạo ra môi trường thuận lợi để hệ vi sinh đường ruột hoạt động tốt, đảm bảo sức khoẻ đường ruột, giúp việc tiêu hoá và hấp thu tốt hơn. - Hoà tan khoáng chất: Giúp hoà tan các khoáng chất do đó các khoáng chất dễ dàng được hấp thu qua màng ruột.  Ở dạng β, GOS có khả năng thủy phân bởi enzyme trong nước bọt và enzyme trong dạ dày (Mussatto et al., 2007).  Trong ruột già, GOS là cơ chất mà chỉ có thể được tiêu thụ bởi 1 lượng giới hạn các vi khuẩn. Nằm trong số các vi khuẩn có mặt tại màng ruột, bifidobacteria và lactobacilli là những vi khuẩn tận dụng hầu hết GOS. Và chúng được xem như là hệ vi sinh vật có lợi cho sức khỏe vật chủ. Vì lý do này, GOS được đặt tên là “ Yếu tố phát triển của Bifidus” (Bielecka et al., 2002).  Sự tăng nhanh vi khuẩn bifidobacteria trong ruột tạo điều kiện để hệ tiêu hóa con người hoạt động có hiệu quả nhất: 1. Ức chế sự phát triển của vi khuẩn có hại:  Sản phẩm phụ của việc sử dụng GOS bằng bifidobacteria bao gồm các acid béo mạch ngắn (acid acetic và acid lactic) , CO2, CH4, H2, và một số antibiotic. Các acid béo mạch ngắn làm giảm độ pH của ruột già một cách hiệu quả.  Sự thay đổi pH sau đó làm biến đổi thành phần các vi sinh vật trong ruột : một lượng lớn vi khuẩn có lợi (Bifidobacterium và Lactobacillus), gia tăng nhiều hơn và lượng vi khuẩn hại (Clostridium, E.coli) giảm, cho đến khi đạt trạng thái cân bằng.  Các loại vi khuẩn gây bệnh như Salmonella, Shigella,Staphylococcus… cũng bị hạn chế phát triển, giúp cho cơ thể chống lại các bệnh nhiễm trùng. 2. Sản xuất các chất dinh dưỡng:  Bifidobacteria sản xuất nhiều loại Vit B, bao gồm B1, B2,B6, và B12, cùng với biotin, acid nicotinic và acid folic (Tomomatsu, 1994; Hoover, 1993). 3. Khả năng làm tăng hấp thụ các nguyên tố khoáng trong đường ruột:  Sự giảm pH trong ruột sẽ làm tăng khả năng hấp thụ một vài chất khoáng như Fe và Ca.  Việc tăng độ hấp thụ calcium, đặc biệt làm giảm khả năng loãng xương vì lượng khoáng này sẽ đẩy mạnh sự gia tăng tỉ trọng và khối lượng xương. 4. Một số tác động khác: - Sự ngăn ngừa khả năng gây bệnh tiêu chảy. 36 - Phòng ngừa chứng táo bón. - Sự giảm cholesterol trong huyết thanh. - Sự giảm áp lực máu trong hệ tuần hoàn. - Tác dụng chống ung thư, chủ yếu là ung thư ruột… 4.4. Hướng phát triển ứng dụng của GOS trong công nghệ thực phẩm:  Tính hủy gen thấp, giá trị năng lượng thấp, bổ sung có hiệu quả trong prebiotic giúp tăng khả năng hấp thu …là những đặc điểm quan trọng để GOS được sử dụng phổ biến trong thực phẩm và rất có tiềm năng phát triển trong tương lai: - Chất tạo ngọt có năng lượng thấp. Sử dụng có hiệu quả đối với người bệnh tiểu đường và béo phì. Với mục đích tạo ra các thực phẩm có vị ngọt nhưng không làm tăng hàm lượng đường trong máu. - Dùng làm thức ăn bổ sung trong các bữa ăn hằng ngày. - Bổ sung trong sữa cho trẻ sơ sinh để hoàn thiện khả năng hấp thu của trẻ gần như trong sữa mẹ. - Bổ sung thức trong thức ăn chăn nuôi. - Bổ sung trong thực phẩm chế biến công nghiệp: thực phẩm đông lạnh, nước giải khát, bánh quy và khoai tây chiên lát mỏng…. - Ứng dụng không phải thực phẩm bao gồm sử dụng GOS trong sản xuất mỹ phẩm các loại nước súc miệng. PHẦN 5: THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ: 5.1. Sản xuất galcatooligosaccharide (GOS) sử dụng Sterigmatomyces elviae CBS8119: Xét sáu chủng vi khuẩn và bảy chủng nấm men sản xuất hơn 10% GOS từ môi trường phản ứng ban đầu là 300 mg/ml trong 16 giờ. 37 Bảng 5.1 : Sáu chủng vi sinh vật và bảy chủng nấm men được sử dụng. Trong số đó, Bacillus thiaminolyticus AJ1366, S. elviae CBS8119, Rhodotorula minuta IFO879, và Sirobasidium magnum CBS6803 sản xuất trên 20% của GOS trong 16 giờ. - Mặc dù B.thiaminolyticus AJ1366 cho thấy năng suất tạo GOS khá cao nhưng một số lượng lớn galactose cũng được tạo thành, do đó chủng này không phù hợp để tiến hành sản xuất GOS. - S. elviae CBS8119, R. minuta IFO879, và S. magnum CBS6803 sản xuất số lượng lớn GOS và khá ít galactose. Các kết quả này cho thấy khả năng của S. elviae CBS8119, R. minuta IFO879, và S. magnum thực hiện các phản ứng transgalactosylation lớn hơn phản ứng thủy phân lactose. Lượng galactose tạo thành khá ít khoảng 2.3 %. - S. elviae CBS8119 là giống đuợc nghiên cứu: o Điều kiện môi trường phản ứng tạo GOS khi sử dụng giống S. elviae CBS8119: - Những ảnh hưởng của pH và nhiệt độ về sản xuất GOS được kiểm tra sau 2 giờ tiến hành. 38 - PH tối ưu là khoảng 5,0-6,0. - Nhiệt độ tối ưu là khoảng 800C. Có thể thấy rằng phản ứng được tiến hành ở nhiệt độ khá cao. - Trong đó lượng trisaccharide và tetrasaccharide tạo thành chiếm đa số. - Lượng pentasaccharide và các oligosaccharide có kích thước lớn khác được tạo thành rất ít. o Ảnh hưởng của nồng độ glucose: Hình 5.1: Ảnh hưởng của nồng độ glucose đến năng suất tạo GOS Qua đồ thị có thể thấy, khi nồng độ glucose tăng thì nồng độ GOS tạo thành giảm đáng kể. Glucose là chất ức chế quá trình hình thành GOS khi sử dụng S. elviae để sản xuất GOS. Vì vậy, để tăng hiệu suất phản ứng cần phải giảm hàm lượng glucose trong môi trường phản ứng. 39 5.2. SẢN XUẤT GOS TỪ LACTOSE DÙNG ENZYME CHỊU NHIỆT β- GLUCOSIDASE TỪ Thermus sp. Z-1: Phản ứng tạo GOS tiến hành sẽ hiệu quả hơn ở nồng độ cơ chất cao.trong trường hợp sản xuất GOS từ lactose, khi dung dịch có lượng lactose thấp, quá trình diễn ra không tốt và đây là vấn đề cần được giải quyết. Vì vậy cần tìm loại enzyme hoạt động ở nhiệt độ cao để lượng đường lactose trong dung dịch tăng lên. Takase et al đã nghiên cứu về β-glucosidase chịu nhiệt từ Thermus sp. Z-1. Enzyme không chỉ thủy phân β-glucosides mà còn β-galactosides. Ngoài ra, enzyme này hạn chế việc tạo thành sản phẩm bậc thấp và nó thủy phân hiệu quả lactose ở nồng độ cơ chất lớn tại nhiệt độ cao. Hơn thế nữa, enzyme này có thể sản xuất galactooligosaccharides ở khối kượng lớn tương đương với những phương thức sản xuất khác bằng những enzyme thường dùng. Theo những nghiên cứu cụ thể hơn về nhiệt độ tối thích để sản xuất GOS từ lactose, và hàm lượng GOS được tạo thành người ta thấy rằng enzyme này có khả năng áp dụng để sản xuất công nghiệp. Duới đây ta sẽ xem xét vệc tổng hợp oligosaccharides từ lactose dùng Thermus sp.Z-1 β- glucosidase ở nhiệt độ 70oC và sau đó enzyme này sẽ được ngừng hoạt động bằng việc gia nhiệt lên 100oC trong 10 phút. Dùng HPLC để phân tích hiệu quả tổng hợp oligosaccharides trong quá trình thủy phân lactose. Bảng dưới đây là kết quả sản xuất oligosaccharides trong 0.88M lactose với Thermus sp.Z-1 β-glucosidase ở 70oC trong 240 phút. Bảng 5.2: Xem xét vệc tổng hợp oligosaccharides từ lactose dùng Thermus sp.Z-1 β- glucosidase ở nhiệt độ 70oC. 40 Tổng ogligosaccharides trong phản ứng đạt cực đại ở 180 phút và đạt 39.9% lớn hơn enzyme nguồn gốc từ A.oryzae được sử dụng trong quy trình( khả năng chuyển đổi GOS là 27.42%). Tuy nhiên lượng galactose tạo thành lại lớn hơn nhưng không nhiều. Duới đây là những thí nghiệm cho thấy sự thích ứng của enzyme Thermus sp. Z-1 β- glucosidase trong môi truờng có hàm luợng lactose ban đầu cao. Nồng độ cở chất được nghiên cứu lần lượt là 0.22M, 0.44M, 0.88M ở pH 7.0, nhiệt độ 70oC và lượng enzyme sử dụng là 1.4 U/ml. Dưới đây là bảng kết quả của thí nghiệm Bảng 5.3 : Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến lượng sản phẩm tạo thành Dựa vào bảng kết quả ta thấy ứng với lượng enzyme 1.4U/ml thì nồng độ cơ chất thích hợp nhất trong ba nồng độ trên là nồng độ 0.88M lactose, lượng lactose chuyển đổi là lớn nhất và lượng GOS tạo thành cũng nhiều nhất. Trong nghiên cứu này chứng minh enzyme Thermus sp. Z-1 β-glucosidase sản xuất được oligosaccharides trong quá trình thủy phân lactose ở nồng độ cơ chất cao, nhiệt độ cao. Khối lượng oligosaccharides tạo thành khi dùng enzyme này là cao hơn những enzyme đang sử dụng trong công nghiệp. Như vậy, khả năng để ứng dụng enzyme này vào sản xuất công nghiệp là rất lớn. 41 PHẦN 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Văn Việt Mẫn và cộng sự, Công nghệ chế biến thực phẩm, nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM. 2009. [2]. Lê Văn Việt Mẫn, Công nghệ sản xuất các sản phẩm từ sữa và đồ uống, nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM. 2009. [3]. Lê Ngọc Tú, Hóa sinh công nghiệp, nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội. [4]. H-J. Rehm and G. Reed cooperation with A. Puhler and P. Stadler, Biotechnology, Volume 6: Products of Primary Metabolism, VCH Publisher, Weinheim, 1996.