Công nghệ lên men - Nguyễn Minh Hiền

Chia sẻ: Lê Viết Quang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:195

Thêm vào BST

Báo xấu

321
lượt xem 95
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Công nghệ lên men là bài giảng hay được Nguyễn Minh Hiền biên soạn, trình bày về công nghệ lên men ứng dụng, kỹ thuật lên men.Theo nghãi rộng lên men là quá trình nuôi cấy vi sinh vật để thu nhận khối, các sản phẩm trao đổi chất, thực hiện sự chuyển hóa cơ chất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ lên men - Nguyễn Minh Hiền

4/20/2011 Công ngh lên men CDGD: Bùi H ng Quân Biên so n: Nguy n Minh Hi n Tài li u tham kh o Công ngh vi sinh v t t p 2, 3. PGS-TS Nguy n c Lư ng Công ngh vi sinh ng d ng, PGS-TS Tr n Minh Tâm Công ngh lên men ng d ng trong CNTP, Bùi Ái Công ngh s n xu t malt và bia, Hoàng ình Hòa Công ngh s n xu t và ki m tra c n etylic, PGS – TS Nguy n ình Thư ng, Nguy n Th Thanh H ng Enzyme vi sinh v t, PGS – TS Lê Ng c Tú Food microbiology, William C.Frazier Applications of biotechnology to traditional fermented foods (http://www.nap.edu/catalog/1993.html) ………………….. 1
4/20/2011 Tài li u tham kh o (tt) • Bamforth C.W. Food, Fermentation and Micro-organisms, Blackwell Publishing, USA, 2005. • Hutkins R.W. Microbiology and Technology of Fermented Foods, Blackwell Publishing, USA, 2006. • Elmer H. Marth, Applied dairy microbiology, Second edition • Springer, Wine microbiology practical and procedures, 2007 • Springer, Modern techniques in the microbial ecology of fermented foods, 2008 • Elsevier, Handbook of culture media for food microbiology, 2003 • The microbiology of safe food, Blackwell Publishing, USA, 2000 • Practical food microbiology, 3rd edition, Blackwell Publishing, USA, 2003 ÁNH GIÁ K T QU H C T P C A SV 1. I M QUÁ TRÌNH (30%) 1.1. KI M TRA 15 PHÚT (15%) 1.2. BÁO CÁO SEMINAR (15%): ch n 1 trong 3 phương án sau 1.2.1. Ch n 1 bài báo ti ng Anh, d ch sách liên quan t i môn h c c hi u và thuy t trình power point (4sv/nhóm) 1.2.2. Ch n 1 bài báo ti ng Vi t liên quan t i môn h c c hi u và thuy t trình power point (2sv/nhóm) 1.2.3. Ch n 1 tài ã ư c th c hi n liên quan t i môn h c c hi u và thuy t trình power point (4sv/nhóm). 2. I M THI KÊT THÚC MÔN H C (70%) Thi vi t t lu n 2
4/20/2011 N I DUNG CHI TI T H C PH N 2 Ph n 1. M u www.gbd.edu.vn Ph n 2. K thu t lên men Ph n 3: Công ngh lên men ng d ng 3.1. Lên men ethanol và các ng d ng 3.2. Công ngh s n xu t acid h u cơ th c ph m 3.3. Công ngh s n xu t acid amin 3.4. Công ngh s n xu t sinh kh i vi sinh v t 3.5. Công ngh s n xu t polysaccharide t VSV 3.6. Công ngh enzyme 3.7. Công ngh sx các sp lên men truy n th ng PH N 1. M U www.gbd.edu.vn 1.1. CÔNG NGH LÊN MEN 1.1.1. Khái ni m v lên men (fermentation) 1.1.2. Khái ni m v CNLM (fermentation technology) 1.2. PHÂN LO I CÁC S N PH M LÊN MEN 3
4/20/2011 1.1.1. Khái ni m v lên men (fermentation) www.gbd.edu.vn (From latin “fervere”) 1.1.1. Khái ni m v lên men (tt) Quan i m c a nhà hóa sinh h c: lên men là quá trình s n sinh năng lư ng. Các h p ch t h u cơ ho t ng v i vai trò v a là ch t cho, v a là ch t nh n i n t . Lên men là quá trình y m khí, năng lư ng ư c s n xu t không c n có oxy ho c các ch t nh n i n t vô cơ khác. Quan i m c a Pasteur: 1857, Ông công b quá trình lên men không ph i “công trình c a s ch t” như nh ng nhà hóa h c nghĩ mà là “công trình c a s s ng”. Ông ưa ra khái ni m tính k khí và ái khí c a VSV và s lên men là h qu c a “cu c s ng không có không khí” Theo nghĩa m r ng: lên men là quá trình nuôi c y VSV (có oxy ho c không có oxy) thu nh n sinh kh i, các s n ph m trao i ch t, th c hi n s chuy n hóa cơ ch t. 4
4/20/2011 1.1.1. Khái ni m v lên men (tt) First Fermentation concept, or Pasteur concept in 1857, “Fermentation is the transformation process of the sugar to alcohol in presence of "la vie sans l'air" (means life without air). www.gbd.edu.vn Louis Pasteur (27.12.1822 – 28.9.1895) the father of the Microbiology 1.1.1. Khái ni m v lên men (tt) Conclusions of Pasteur from its study of wines: The alcoholic fermentation of grape juice occur only in presence of yeasts. The wine acidification occur in presence of bacteria. When the grape juice is heated the fermentation do not take place. When the wine (the sugar) is heated the acidification do not occur. Fermentation is the change of the substrate (sugars) by the action of the ferments 5
4/20/2011 1.1.2. Khái ni m v CNLM (fermentation technology) The fermentation technology is the combined application of the knowledge of process engineering, biochemistry and microbiology for designing or evaluation a fermentation process. S n ph m S n lư ng (t n/năm) Acid foods (citric, lactic) 100,000 Alcohol 1,000,000 Amino acids 10 – 100,000 Antibiotics 10 – 30,000 Enzymes 0.1 – 3,000 Pharmaceutical proteins 0.001 - 3 ENVIRONMENT Useful Bioremediation Environmental monitoring Applications Pollution control Yield FARMING PHARMACY Diagnostics Feed stocks FOOD Vaccines Animal health Therapeutics Biosensors Bioprocess Process analysis TOOLS / TECHNICAL ADVANCES Bioinformatics Experimental design Protein engineering Biochemistry Process engineering Microbiology Immunology SCIENTIFIC KNOWLEDGE Informatics Molecular Biology Physiology Statistic 6
4/20/2011 What I should do to do fermentation? Media preparation Physiology Fermenter preparation conservation Kinetics Sterilization Development the producer Agitation/Aeration Adjusting parameters Fermenter types strain Operation modes Inoculation Scale-up Cultivation Medium design Taking samples Optimization Harvest 1.2. PHÂN LO I CÁC S N PH M LÊN MEN T VSV SINH KH I VSV CÁC SP TRAO I CH T (biomass): protein ơn bào SP T C B C 1: acid amin, (SPC), men bánh mì, gi ng vitamin, acid citric … kh i ng (starter) SP T C B C 2: enzyme VSV, kháng sinh… Cơ ch t T bào (biomass) SP lên men: rư u, acid lactic… (lên men k khí) Cơ ch t S n ph m + T bào (SP T C) 7
4/20/2011 Phân lo i s n ph m lên men theo quan i m kinh t Bio-products High value – Low Medium value – High Low value – High product volume product volume (The product The volume (Mostly depends on process Mostly is relatively (Most of the production the substrate price) expensive and some correspond to complexity) purification process) process • Antibiotics • Amino acids • Ethanol • Vitamins • Organic acids • Biomass • Enzymes • Biopolymers • Methane • Vaccines • Baker yeast • Acetone • Steroids • Microbial • Butane • Hormones polysaccharides • Fructose syrups • Other • Feeding products pharmaceutics Cost distribution Low volume and High value High volume and Low value product product High investment cost (phí u tư cao) High investment cost High raw material cost (phí nguyên li u Cost are distributed in all cao) production stages High conversion efficiency (hi u qu High recovery of the product in chuy n i th p) the fermentation stage Low recovery cost (Phí quay vòng th p) High purification cost Low margin profit (l i nhu n th p) High margin profit Too much regulatory and Only few regulatory problems (ph i legyslation restrictions, and high theo quy nh pháp lu t) plant hygiene Required not much R&D expenditures Required too much R&D Cost (không t n nhi u ti n cho RD Low qualification of the labor force is Very high qualification of the acceptable (Ngư i lao ng có th ko labor force is nedeed c n trình chuyên môn cao) 8
4/20/2011 www.gbd.edu.vn PH N 2. K THU T LÊN MEN 2.1. VSV TRONG CÔNG NGH LÊN MEN TP 2.2. NG H C QUÁ TRÌNH LÊN MEN 2.3. PHƯƠNG PHÁP & THI T B LÊN MEN 2.4. C I Ti N QUÁ TRÌNH LÊN MEN 2.1. VSV TRONG CÔNG NGH LÊN MEN TP 2.1.1. CÁC YÊU C U V GI NG VSV 2.1.2. K THU T T O GI NG 2.1.3. K THU T NHÂN GI NG VÀ SX GI NG 2.1.4. K THU T KI M TRA GI NG VSV 2.1.5. K THU T NÂNG CAO CH T LƯ NG GI NG 2.1.6. K THU T B O QU N GI NG 9
4/20/2011 VSV TRONG CÔNG NGH LÊN MEN TP TP lên men v i s tham gia TP lên men v i s tham gia c a VSV trong t nhiên (TP c a VSV thu n khi t (TP lên men truy n th ng) lên men công nghi p) Sx th công, quy mô nh , Sx quy mô l n, năng su t cao năng su t không cao Ch ng c y 1 lư ng VSV Không ki m soát ư c vào nguyên li u quá trình, ch t lư ng chưa Ki m soát ư c quá trình lên n nh và chưa ng u. men, ch t lư ng n nh & Mang b n s c m th c, ng u kinh nghi m, văn hóa c a m i dân t c 2.1.1. Yêu c u gi ng VSV trong CNLM Ph i có t c sinh trư ng và phát tri n m nh, thu n Ph i t o ra s n ph m có năng su t sinh t ng h p cao, ch t lư ng t t Ph i có tính thích nghi nhanh trong i u ki n sx CN Ph i có kh năng ch ng ch u l i VSV t p nhi m Ph i có kích thư c l n, thu n ti n cho quá trình l ng, l c, tinh ch sau này. S n ph m sinh kh i d tách ra kh i môi trư ng nuôi c y Ch ng VSV ư c b o qu n d dàng, t n t i các c tính trong su t th i gian s d ng Có kh năng thay i các c tính b ng k thu t di truy n c i thi n, nâng cao năng su t Không ho c ít t o thành s n ph m không mong mu n 10
4/20/2011 2.1.2. K thu t t o gi ng Phân l p trong PL trong k sx T o gi ng VSV t nhiên công nghi p m i (áp d ng k thu t di truy n) PP Nguyên t c Ưu i m Như c PL trong có cơ ch t, có VSV ngu n VSV phong T n th i gian, t nhiên phân gi i cơ ch t phú a d ng ho t l c VSV còn th p PL trong Tính thích nghi cao Hi u qu cao, VSV / sx CN ã quen v i i u ki n sx công nghi p T o Ti p h p, tái t h p T o ư c gi ng Yêu c u trình VSV = VSV có c tính cao, thi t KTDT mong mu n b hi n i Các trung tâm lưu tr gi ng trên th gi i và Vi t Nam ABBOTT: Abbott Lab, North Chicago, III.60064, USA ATCC: America Type Culture Collector, 12301, Parklaw Drive Rockvill Md20852, USA HIR: Food and Fermentation Divisio, Hokkatdo Profectural Industrial Research Institute Saporo, Japan FERM: Fermentation Research Institute, Agency of Industrial Science and Technology Ministry of Industrial Trade and Industry, Chiba, Japan VTCC, IMBT, National University, HaNoi, VietNam vtcc@vnu.edu.vn; www.biotechvnu.edu.vn (Ngân hàng gi ng qu c gia, HN) B o tàng gi ng: www.bacteriummuseum.org 11
4/20/2011 2.1.3. K thu t nhân gi ng Nhân gi ng trong PTN Nhân gi ng trong quy mô sx l n PPnhân gi ng kh i ng truy n th ng và hi n i Các y u t nh hư ng n quá trình nhân gi ng Thành ph n các ch t trong MT nhân gi ng (không ch a ch t kháng sinh, ch t c ch ). Penicillin, chloramphenycol … c ch sinh trư ng c a VK lactic. N ng các ch t trong MT nhân gi ng. N ng ư ng ho c mu i cao tăng p th m th u c ch VSV pH: ch n pH c a MT nhân gi ng = pHop c a VSV. pH nh hư ng tr c ti p lên b m t t bào tích i n khác nhau làm cho ho t các lo i enzyme VSV thay i. pH nh hư ng n s phân ly c a các ch t dinh dư ng có trong MT Nhi t : ch n To nhân gi ng = Toop c a VSV 12
4/20/2011 2.1. 4. K thu t ki m tra ch t lư ng c a gi ng VSV Quan sát i th Quan sát vi th Ki m tra ho t l c gi ng VSV (thoái hóa) Gi ng VSV b t p nhi m, thoái hóa ph i phân l p l i ho c thay gi ng khác Ki m tra thu n c a gi ng Gi ng VSV b thoái thư ng xuyên (b nhi m t ng g c) hóa: do tác ng Kh trùng MT dinh dư ng; v i các c a môi trư ng bên MT có bào t c n kh trùng tri t trong và tác ng hơn. Ví d di t bào t Bac. subtilis c a nh ng s n 1800C/60’ - 90’ (B nhi m trong qt ph m T C do nhân gi ng) chính VSV ti t ra 2.1.5. K thu t nâng cao ch t lư ng gi ng 2.1.5.1. Hu n luy n thích nghi gi ng vi sinh v t M i VSV u có kh năng thích nghi r t cao v i môi trư ng. Nh ng tác ng môi trư ng ư c l p i l p l i nhi u l n t o nên tính thích nghi b n v ng. Khi t o ư c tính thích nghi c a VSV ph i luôn duy trì tác ng m c ã t o ra tính thích nghi. c i m này không b n. Yêu c u: ngư i th c hi n ph i có tính kiên trì. Khu n l c n m men trên Hansen Agar có hàm lư ng ư ng 26, 28% (phương pháp hu n luy n gi ng) 13
4/20/2011 2.1.5.2. t bi n VSV t bi n b ng tác nhân v t lý ( tia U.V): Tia U.V ư c s d ng r ng rãi trong công ngh ch n gi ng VSV. Tia U.V có kh năng t o ra các t bi n có ch t lư ng cao hơn ch ng lo i ban u hàng trăm l n. Tia U.V λ=260nm thư ng gây ra nh ng t bi n i m cao nh t. ây là lo i b c x không ion hóa và gây ra nh ng bi n i base ch a nitơ trong gen. t bi n b ng tác nhân hóa h c (kháng kháng sinh): Dùng môi trư ng có kháng sinh tìm các d ng t bi n b n v ng (kháng kháng sinh). Trên môi trư ng này, các t bào m n c m v i kháng sinh s b gi t ch t, ch còn các t bào t bi n i kháng là t n t i S lư ng khu n l c/ n ng kháng sinh trong MT nuôi c y 10-7 (không b 0,01mg/ml 0,1mg/ml 0,5mg/ml sung kháng sinh) Nhóm 1 34 8 2 Không 2 58 5 3 xu t hi n 3 107 7 5 khu n l c 4 Nhi m Nhi m 5 TN ti n hành v i vk E.coli. Nuôi c y E.coli n ng pha loãng 10 -1 trong các môi trư ng b sung kháng sinh 14
4/20/2011 2.1.5.3. Lai gi ng n m men Nguyên t c: T 2 gi ng n m men gi ng nhau ta có th t o ra ư c gi ng n m men m i có nh ng c tính c a c 2 loài ban u b ng cách cho chúng ti p xúc v i nhau trong i u ki n thí nghi m. Như c i m: •T l thành công không cao. •S pha tr n c tính di truy n ch trong m t lòai nh t nh. •Các gi ng VSV khác nhau thì không th ti n hành quá trình lai gi ng ư c. Ưu i m: ơn gi n, d th c hi n Cách th c hi n lai gi ng n m men 1. C y 2 gi ng men vào môi trư ng y M1(môi trư ng l ng). 24h. 2. C y gi ng h n h p vào môi trư ng th ch t i thi u M2 và M1 (th ch b ng). ít nh t 5 ngày 3. Hai gi ng n m men ã lai v i nhau n u trên M2 xu t hi n khu n l c 4. Ki m tra gi ng thu nh n có ph i là lư ng b i th b ng cách: C y khu n l c trên môi trư ng M2 vào môi trư ng Th ch acetat (M3). 48h 5. Làm tiêu b n, quan sát dư i kính hi n vi, n u th y nang ch a 4 bào t (t bào lư ng b i th ) ch ng t lai thành công. 6. Ki m tra tính tr ng c n quan tâm. 15
4/20/2011 2.1.5.4 S d ng k thu t di truy n hi n i K thu t bi n i gen t o ra các sinh v t có tính tr ng ích theo ý mu n Súng b n gen 16
4/20/2011 2.1.6. K thu t b o qu n gi ng VSV M c ích: m b o ư c tính ch t c a gi ng (duy trì g n như nguyên v n c tính ban u c a gi ng VSV trư c lúc c t gi ) tiêu chu n cho quá trình s n xu t. Nguyên t c: làm ch m quá trình hô h p và trao i ch t VSV, ng th i ngăn c n s sinh s n c a chúng. Phương pháp: Bư c 1: Ti n b o qu n (thu n hóa gi ng). Ch n ch ng VSV i u ki n và giai o n t i ưu cho b o qu n. Bư c 2: Ch n phương pháp thích h p cho b o qu n. 2.1.6.1 B o qu n gi ng trong th ch nghiêng (c y truy n nh kỳ) Nguyên t c: luôn i m i t bào, không gây ra b t thư ng. Bi n pháp: môi trư ng t i thi u, n u môi trư ng giàu dinh dư ng, VSV phát tri n nhanh s thoái hóa nhanh. Ưu: ơn gi n, d th c hi n, ít t n kém, thích h p quy mô nh Như c i m: t n th i gian, th i gian BQ ng n (1- 2 tháng) Vô tình ã hu n luy n VSV s ng i u ki n l nh, làm bi n i gi ng VSV ban u. 2.1.6.2. B o qu n gi ng trong l p d u khoáng Nguyên t c: c ch quá trình hô h p VSV trong c VSV y m khí và hi u khí, h n ch ti p xúc v i oxy, ngăn hi n tư ng m t nư c c a môi trư ng và VSV. Bi n pháp: 1 l p d u khoáng ho c parafin l ng Ưu i m: ơn gi n, hi u qu cao, th i gian BQ dài (1 năm) Như c i m: Có l n d u 17
4/20/2011 2.1.6.3. B o qu n gi ng trong cát, t s y khô Nguyên t c: S d ng t, cát như nh ng giá th mang. Khi m môi trư ng gi m t i thi u, VSV không phát tri n n a. ( t và cát là môi trư ng t i thi u) Cách th c hi n: X lý t, cát (rây u, ngâm trong HCl ho c H2SO4 m c 8-12h. R a dư i vòi nư c cho n pH trung tính, s y t, cát > 1000C. BQ i u ki n vô trùng. VSV ư c nuôi môi trư ng th ch. cát, t ã vô trùng vào ng nghi m, l c u, sau ó rót qua ng nghi m khác. Hàn kín mi ng ng Ưu i m: thích h p BQ các gi ng VSV trong x lý môi trư ng, trong nông nghi p (phân bón) không òi h i m c tinh khi t cao. S d ng b o qu n gi ng VSV t o bào t . Th i gian b o qu n dài (2 năm) Như c i m: không dùng trong s n xu t công ngh th c ph m 2.1.6.4 B o qu n gi ng trong các h t ngũ c c Nguyên t c: s d ng h t ngũ c c như giá th mang Thư ng s d ng BQ các n m s i và VSV trong th c ph m M c ích: gi VSV tr ng thái ti m sinh. Cách th c hi n: H t ngũ c c r i, h p chín, nuôi n m m c tr c ti p (3 – 5 ngày), s y t0 < 500C t m W
4/20/2011 2.1.6.5 B o qu n gi ng trong gi y l c Nguyên t c: áp d ng v i VSV có bào t . Ngoài gi y l c, có th s d ng B.C (bacterium cellulose) Cách th c hi n: 1. Chu n b gi y l c vô trùng:C t gi y l c 1 – 3 cm. Cho gi y l c ã c t vào ng nghi m, y nút bông, s y 1600 C/ 2h ho c kh trùng 1210 C/30’. 2. Nuôi VSV trong môi trư ng l ng n khi t o thành bào t 3. Dùng pi pet vô trùng hút 1 gi t Vi khu n vào gi y l c. S y 400 C d n khi th y mi ng gi y l c khô thì chuy n gi y l c vào ng nghi m. Th i gian BQ: 5 năm 2.1.6.6 B o qu n gi ng trong gelantine Cách th c hi n: 1. Chu n b môi trư ng: Môi trư ng N.B b sung 10% gelantin và 5% acid ascorbic. Kh trùng 1210C/ 15’ 2. Chu n b gi ng VSV: nuôi gi ng VSV 3. Tr n VSV v i môi trư ng. 4. Dùng ng nh gi t vô trùng t o thành t ng gi t gelantine nh . S y khô trong t hút chân không 19
4/20/2011 2.1.6.7 B o qu n gi ng b ng phương pháp l nh ông Nguyên t c: S phát tri n c a VSV s b c ch nhi t l nh sâu. C n s d ng ch t b o v VSV (glycerin 15%, saccharose 10% + gelantin 10%... Giúp VSV không b ch t nhi t l nh sâu Th i gian BQ: -300 C: 9 tháng - 400 C: 1 năm - 700 C: 10 năm 2.1.6.8 BQ gi ng b ng pp ông khô ( ư c s d ng trong các ngân hàng gi ng, cơ quan nghiên c u l n) Nguyên t c: s y nhi t th p trong i u ki n chân không, không nh hư ng n ch t lư ng gi ng và có th t o ra các ng gi ng theo quy mô công nghi p. Cách th c hi n: gi ng, nhân gi ng trong môi trư ng l ng, ki m tra gi ng ( c i m sinh hóa, sinh lý), n u t tiêu chu n, máy ông khô 24h, hàn n p l i. Th i gian b o qu n: 20 năm Ưu i m: ch t lư ng gi ng không i, b o qu n nhi t thư ng, th i gian b o qu n dài Như c i m: chi phí l n 20