Công nghệ sản xuất Acid Lactic

Chia sẻ: Trần Thị Thu Sang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:49

Thêm vào BST

Báo xấu

801
lượt xem 154
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Acid lactic là hợp chất hữu cơ thu được bằng phương pháp lên men do tác nhân lên men chủ yếu là vi sinh vật.Acid lactic còn có tên gọi khác là 1- hydroxyethanol cacbonxylic hay acid 2- hydroxypropanoic. Trong cấu tạo phân tử của chúng có một cacbon bất đối xứng nên chúng có hai đồng phân quang học: D –acid lactic và L- acid lactic. Hai đồng phân quang học này có tính chất hóa lý giống nhau

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ sản xuất Acid Lactic

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Mục Lục: Chương 1: Mở đầu ...................................................................................... trang 1 1.1.Giới thiệu về acid lactic..................................................................... trang1 1.2. Tình hình sản xuất acid lactic ........................................................ trang 3 1.3. Ứng dụng của acid lactic trong CNTP .......................................... trang 4 Chương 2:Công nghệ sản xuất acid lactic.................................................. trang8 2.1. Nguyên liệu....................................................................................... trang 8 2.1.1. Giống vi sinh vật ................................................................... trang 8 2.1.2. Cơ chế lên men..................................................................... trang 12 2.1.3. Chuẩn bị nguồn cơ chất ...................................................... trang 17 2.1.4. Chuẩn bị môi trường nuôi cấy ........................................... trang 22 2.1.5. Giữ giống.............................................................................. trang 23 2.2. Quy trình sản xuất......................................................................... trang 26 2.2.1. Sơ đồ quy trình .................................................................... trang 26 2.2.2. Thuyết minh quy trình........................................................ trang 28 2.3. Sản phẩm........................................................................................ trang 41 2.4. Các vấn đề tồn tại .......................................................................... trang 42 2.5. Thành tựu công nghệ .................................................................... trang 43 2.6. Hướng phát triển ........................................................................... trang 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ trang 49 Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 1
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Chương 1. MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu về acid lactic Định nghĩa: Acid lactic là hợp chất hữu cơ thu được bằng phương pháp lên men do tác nhân lên men chủ yếu là vi sinh vật Công thức cấu tạo: Công thức phân tử: C3H6O3 Công thức tổng quát: CH3-CHOH-COOH. Acid lactic còn có tên gọi khác là 1- hydroxyethanol cacbonxylic hay acid 2- hydroxypropanoic. Trong cấu tạo phân tử của chúng có một cacbon bất đối xứng nên chúng có hai đồng phân quang học: D –acid lactic và L- acid lactic. Hai đồng phân quang học này có tính chất hóa lý giống nhau, chỉ khác nhau khả năng làm quay mặt phẳng phân cực ánh sáng, một sang phải và một sang trái. Do đó tính chất sinh học của chúng hoàn toàn khác nhau. Cấu hình không gian: Acid lactic là hỗn hợp của 2 dạng đồng phân D-acid lactic và L-acid lactic: D-acid lactic L-acid lactic Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 2
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Nếu D-acid lactic và L-acid lactic có trong một hỗn hợp theo tỉ lệ 50:50 người ta gọi là hỗn hợp raxemic. Hỗn hợp này được kí hiệu là DL-acid lactic.Trong quá trình lên men không có một hỗn hợp lý tưởng này mà chỉ có được khi tiến hành tổng hợp hữu cơ. Tính chất: DL acid lactic là dịch lỏng dạng tinh thể, tan trong H2O, cồn, không tan trong CHCl3, nhiệt độ nóng chảy 16,8oC, nhiệt độ sôi 122oC. Acid lactic có khối lượng phân tử là 98,08 là chất hữu cơ không màu, mùi nhẹ.Acid lactic là một chất có độ hút ẩm cao là chất lỏng sánh đặc có sẵn trên thị trường ở những dạng khác nhau về chất lượng; và phụ thuộc vào độ tinh sạch có nhiều tiêu chuẩn khác nhau: acid lactic kỹ thuật, thực phẩm, dược phẩm và acid lactic plastic. Ở dạng đồng phần D-acid lactic hoặc L-acid lactic lần lượt có nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ sôi là 28 và 103 (oC). Một tiêu chuẩn chất lượng quan trọng của acid lactic tinh sạch cao là sự bền nhiệt, ví dụ: không màu tạo thành khi làm nóng dung dịch 80% acid lactic đến 180oC. 1.2. Tình hình sản xuất acid latic: Hiện nay công nghệ sản xuất acid lactic được phổ biến rộng rãi trong việc chế biến sữa thành các loại sản phẩm như sữa chua, yaourt, fomai… vừa tăng giá trị dinh dưỡng, vừa có tính chất chữa bệnh đường ruột giúp ta ăn ngon miệng, dễ tiêu hóa mà còn có tác dụng bảo quản lâu hơn sữa tươi. Lên men lactic là quá trình chuyển hóa đường thành acid lactic nhờ vi sinh vật trong điều kiện yếm khí. Sự lên men lactic đã được biết và ứng dụng từ lâu đời trong dân gian như lên men chua rau quả, làm sữa chua, sữa đông. Với quy mô gia đình: Sự lên men sữa chua có thể tiến hành theo kiểu dân gian (lên men tự nhiên – nhờ hệ vi khuẩn lactic có sẵn trong sữa), tuy nhiên kiểu này có tính chất gia đình quy mô nhỏ. vì trong giai đoạn đầu có vi khuẩn gây thối rữa hoạt động nên làm giảm phẩm chất sản phẩm, đôi khi dẫn đến hư hỏng sản phẩm. Với quy mô công nghiệp: sản xuất acid lactic với quy mô lớn và hiện đại, phát triển nhiều sản phẩm đạt độ ổn định và chất lượng sản phẩm cao, hiện nay trong công nghiệp người ta phải Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 3
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh thanh trùng Pasteur sữa (thanh trùng nhiệt 80 ÷ 900C) để nguội đến nhiệt độ phù hợp lên men, lúc đó mới cấy vi khuẩn lactic thuần khiết vào. Các sản phẩm sữa có sử dụng quá trình lên men lactic thông thường là: sữa chua đặc axidophilin, yaourt, fomat, bơ… và sử dụng lên men hỗn hợp gồm lên men lactic và lên men rượu như kephia, kumi… 1.3. Ứng dụng của acid lactic trong công nghệ thực phẩm: Sản xuất các sản phẩm lên men từ sữa: Các sản phẩm lên men từ sữa như: sữa chua, phomat, bơ,...Các quá trình chuyển hóa trong sản xuất đều làm cho sản phẩm thêm giàu dinh dưỡng và tạo hương vị đặc trưng cho sản phẩm Lên men sữa chua: Lên men sữa chua làm tăng giá trị dinh dưỡng có tác dụng trị bệnh đường ruột giúp ăn ngon dễ tiêu hóa bảo quản sữa tươi lâu hơn khỏi bị hư hỏng. Sữa tươi sữa chua sau khi lên men Nguyên tắc làm sữa chua là do sự phát triển của vi khuẩn lactic làm pH giảm mạnh, cazein trong sữa bị đông tụ. Sữa từ dạng lỏng chuyển sang dạng keo sệt và có mùi vị thơm ngon. Quá trình làm sữa chua người ta phải sử dụng hai chủng vi khuẩn lactic đồng hình và dị hình. Vi khuẩn lactic đồng hình lên men nhanh làm giảm pH, vi khuẩn lactic dị hình lên men chậm và tạo thành mùi thơm đặc trưng của sữa chua. Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 4
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Sản xuất phomat: để sản xuất phomat người ta dùng enzyme đông kết thu cazein trong sữa, sau đó tiếp tục cho lên men với nồng độ muối loãng. Tuỳ loại phomat mà trong quá trình ủ chín người ta sử dụng các loài vi sinh vật khác nhau. Các loại vi sinh vật thường được sử dụng để làm chín phomat là: vi khuẩn propionic, nấm mốc… Sản xuất dưa chua: Trong rau quả vi khuẩn sẽ phát triển tạo ra acid lactic và acid acetic cùng với một số chất hữu cơ khác. Các acid hữu cơ này làm giảm pH của dịch chống lại hiện tượng gây thối rau quả. Bên cạnh đó làm tăng hương vị của khối ủ chua rau quả. Rau quả muối chua Vì vậy sản xuất sữa chua cũng như muối chua rau quả là quá trình vừa mang ý nghĩa chế biến vừa mang ý nghĩa bảo quản. Sản xuất tương: Trong sản xuất tương quá trình lên men lactic tạo pH thích hợp cho sản phẩm và tăng hương vị cho sản phẩm. Hình: các loại nước tương sản xuất trên thị trường. Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 5
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Muối chua rau quả Muối chua rau quả nhằm hai mục đích cơ bản sau đây: bảo quản nguyên liệu và làm tăng giá trị dinh dưỡng, giá trị cảm quan của rau quả. Nguyên tắc để muối chua rau quả là tạo điều kiện để phát triển vi khuẩn lactic đồng thời hạn chế tác dụng của vi khuẩn gây thối rữa. Hiện nay có rất nhiều sản phẩm rau quả muối chua được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Quá trình muối chua rau quả được tiến hành như sau: - Lựa chọn rau quả - Xử lý sơ bộ - Phơi nắng - Cho thêm đường, muối, nước - Lên men - Muối chua. Thông thường muối chua rau quả người ta sử dụng 3% lượng muối so với rau quả. Nếu nồng độ muối thấp thì rau quả dễ bị thối. Nếu nồng độ muối quá cao thì quá trình lên men chậm, sự tạo thành axit lactic giảm. Tác dụng của một số quá trình cơ bản trong muối chua rau quả. - Quá trình phơi nắng: làm giảm lượng nước có trong nguyên liệu. - Cho thêm muối, đường: tạo áp suất thẩm thấu, làm nguyên liệu dễ nén chặt, không bị nát và trở nên giòn. Làm tăng nhanh quá trình lên men Nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men là 26 ÷ 35oC. Tuy nhiên, ở nhiệt độ này vi khuẩn butyric có thể phát triển mạnh nên trên thực tế người ta khống chế ở nhiệt độ trong khoảng 20 ÷ 25oC. Thông thường vi khuẩn lactic chịu được nhiệt độ thấp hơn so với vi khuẩn khác, vì vậy trong muối chua cần tăng nhanh độ axit để loại trừ khả năng nhiễm của một số loài vi sinh vật khác. Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 6
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Ứng dụng trong sản xuất các loại sữa bột và bột giàu canxi: Bổ sung Lactate calcium vào thành phần sữa bột dinh dưỡng, bánh ngọt, bánh nướng,… Các loại sữa bột giàu canxi Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 7
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Chương 2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID LACTIC 2.1. Nguyên liệu Để sản xuất acid lactic cần phải có hai thành phần chính yếu là nguồn cơ chất và tác nhân lên men là vi khuẩn lactic. 2.1.1. Giống Giới thiệu về vi khuẩn lactic Năm 1872, nhà Hoá học Thụy Điển Karl W. Scheele lần đầu tiên tách được acid lactic từ sữa bò lên men chua. Năm 1857, Louis Pasteur chứng minh được rằng sự hình thành acid lactic trong quá trình lên men sữa chua có liên quan đến một nhóm vi sinh vật đặc biệt gọi là vi khuẩn lactic. Năm 1878, Joseph Lister phân lập thành công vi khuẩn lactic đầu tiên và đặt tên là Bacterium lactis (hiện nay gọi là Streptococcus lactis). Từ đó đến nay các nhà hoá học liên tiếp phân lập được các loại vi khuẩn khác nhau. 2.1.1.1 Đặc điểm Vi khuẩn lên men lactic thuộc họ lactobacterium. Đây là những trực khuẩn, cầu khuẩn không tạo bào tử và hầu hết không di động, hô hấp tùy tiện. Chúng có khả năng lên men nhiều loại đường đơn và đường đôi nhưng không có khả năng lên men các loại glucid phứt tạp và tinh bột. Sự phát triển của nó cần có sự mặt của pepton, axit amin, hay muối amon. Chúng có yêu cầu đặc biệt về chất dinh dưỡng là giàu vitamin, axit amin và khoáng chất. Vi khuẩn lactic là tên gọi chung của những vi khuẩn có khả năng sinh ra acid lactic, sản phẩm chính trong quá trình chuyển hoá carbonhydrate. Chúng được xếp vào họ Lactobacteriaccae , có thể là cầu khuẩn (lưỡng cầu, tứ cầu, liên cầu…), trực khuẩn ngắn hoặc dài đứng đơn độc thành chuỗi nhưng đều là vi khuẩn gram dương, không tạo bào tử (tuy nhiên hiện nay người ta tìm thấy một số giống trong họ vi khuẩn lactic có khả năng tạo bào tử) và hầu hết không chuyển động. Chúng không chứa cytochrom và enzyme catalase nhưng vì có khả năng sinh tổng hợp enzyme peroxydase rất mạnh và chính enzyme này đã phân giải H2O2 tạo thảnh H2O và O2 nên chúng có thể sống trong điều kiện có oxy không khí. Vì vậy vi khuẩn lactic được gọi là vi khuẩn hiếu khí tuỳ tiện. Vi khuẩn lactic thu nhận năng lượng nhờ chuyển hoá đường thành acid lactic, ngoài sản phẩm chính là acid lactic, quá trình lên men đường còn cho nhiều sản phẩm đường khác Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 8
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh như: etanol, acid axetic, CO2 …Chính vì vậy nhóm vi khuẩn lactic là nhóm vi sinh vật có ý nghĩa rất quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như: thực phẩm, y học, sản xuất acid lactic và cả lactate nữa - Vi khuẩn lactic có tế bào dạng hình que và hình cầu, kích thước của chúng phụ thuộc vào môi trường và điều kiện nuôi cấy. + Dạng hình que có thể là ngắn gần như hình cầu, chiều dài khoảng 0.5 – 0.7µm và mọc thành sợi dài, đôi khi tới 8µm. Chúng đứng riêng rẽ, kết đôi hoặc kết thành chuỗi. + Dạng hình cầu còn có dạng ovan, đường kính 0.5 ÷ 0.6 tới 1µm, đứng riêng lẻ hoặc kết đôi hay kết chuỗi. Chuỗi có chiều dài khác nhau. Thành phần môi trường có ảnh hưởng đến hình dạng tế bào. Trong môi trường có hàm lượng rượu cao sẽ làm cho tế bào dài ra. Rượu etylic còn có tác dụng kìm hãm sự phân chia tế bào mạnh hơn so với sinh trưởng của vi khuẩn - Các tế bào vi khuẩn lactic không chuyển động, không tạo thành bào tử, gram (+), không tạo thành sắc tố, không khử nitrate thành nitrite, không xó hoạt tính catalaza. - Vi khuẩn lactic là thể kị khí, vi hiếu khí. Trong điều kiện kị khí chúng sinh trưởng và hoạt động mạnh, nhưng ở điều kiện hiếu khí chúng vẫn sống nhưng hoạt động kém. - Vi khuẩn lactic sinh sản bằng cách phân chia tế bào. Với điều kiện thuận lợi thời gian thế hệ của chúng chỉ là 15 phút, không thuận lợi kéo dài đến 24 giờ 2.1.1.2 Sinh lý vi khuẩn lactic Các vi khuẩn lactic được xếp chung vào họ Lactobacteriaceae. Mặc dù nhóm vi khuẩn này không đồng nhất về mặt hình thái, gồm cả vi khuẩn dạng que ngắn, que dài lẫn các vi khuẩn hình cầu, song về mặt sinh lý chúng lại tương đối đồng nhất. - Là vi khuẩn Gram dương. - Là vi sinh vật vi hiếu khí. - Không tạo bào tử (tuy nhiên hiện nay người ta tìm thấy một số giống trong họ lactic có khả năng tạo bào tử). - Hầu hết không di động. - Thu nhận năng lượng nhờ phân giải hydratcacbon và tiết ra acid lactic. Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 9
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh - Khác với vi khuẩn đường ruột cũng sinh ra acid lactic, các vi khuẩn lactic lên men bắt buộc, chúng không chứa các cytochrom và enzyme catalase. - Có khả năng sinh tổng hợp enzyme peroxydase rất mạnh. Chúng phân giải H2O2 và oxy để phát triển. 2.1.1.3 Phân bố: Vi khuẩn lactic thường ít gặp trong đất và trong nước, chúng thường phát triển trên những môi trường có chứa nhiều chất hữu cơ phức tạp như : - Trong sữa và các sản phẩm từ sữa thường gặp Lactobacillus lactis, Lactobacillus bulgarius, Lactobacillus helviticus, Lactobacillus casei, Lactobacillus ferment, Lactobacillus brevis, Streptococcus diacetyllactis. Để tồn tại trong môi trường sữa vi khuẩn lactic tổng hợp ATP từ cơ chất lactose. - Trên bề mặt thực vật và xác thực vật đang bị phân giải hay có Lactobacillus plantanium, Lactobacillus delnikii, Lactobacillus ferment, Lactobacillus brevis, Streptococcus lactis…Chúng còn được tìm thấy trên các loại rau quả, trái cây. - Trong ruột và các niêm dịch ở người và động vật có Lactobacillus acidophilus, Streptococcus faecalis, Streptococcus bovis, Streptococcus salivanius, Streptococcus pyogenes, Bifidobacterium, Pneumococcus. - Hoạt tính catalaza: vi khuẩn lactic sống ở điều kiện kị khí nên chúng không có hoạt tính catalaza. Song, những năm gần đây một số thông báo tìm thấy hoạt tính enzyme này ở một số chủng vi khuẩn lactic ở dạng Pseudocatalaza. Pseudocatalaza thấy ở một số loài thuộc các giống Leuconostoc và lactobacillus. - Hoạt tính proteas: thấy ở cầu khuẩn, trực khuẩn và liên khuẩn (Streptobacterium), nhưng ở trực khuẩn thường có hoạt lực cao hơn, nhất là các chủng phân lập được từ ruột non của bê nghé. Protease của vi khuẩn lactic gồm cả proteinase, peptinase. - Hoạt tính lipase của vi khuẩn lactic có ở nhiều chủng thuộc cầu khuẩn, trực khuẩn. Chế phẩm lipase thu nhận từ dịch chiết không có tế bào vi khuẩn dễ dàng phân hủy những triglycerit đơn giản. Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 10
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Hoạt tính hóa sinh của vi khuẩn lactic phụ thuộc vào đặc điểm sản phẩm lên men các loại đường C6 – đường đơn – hexose (glucose, fructose, mannose, galactose), đường kép – disaccharide (lactose, maltose, sacarose) và polysaccharide (dextrin, tinh bột). 2.1.1.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của vi khuẩn lactic - Dinh dưỡng cacbon: vi khuẩn lactic sử dụng nguồn năng lượng chính từ các nguồn đường mono- và disaccharide như glucose, lactose, sacarose, maltose và các acid hữu cơ như acid citric, malic, pyruvic, fumaric,... làm nguồn năng lượng và trao đổi cấu trúc. Khi không có mặt cơ chất nguồn cacbon vi khuẩn sẽ sử dụng nguồn năng lượng và vật liệu tế bào là các acid amine (acid glutamic, arginin, tirozin,...) và giải phóng CO2. Các vi khuẩn không sử dụng được nguồn cacbon là polysaccharide (ngoại trừ một loài Lactobacillus delbrueckii). - Dinh dưỡng nitơ: theo nhu cầu nguồn dinh dưỡng nitơ vi khuẩn lactic có thể chia thành 3 nhóm + Các phức hợp acid amine (nhóm vi khuẩn lactic chịu nhiệt Thermobacterium) + Phát triển trên môi trường có sixtein và muối amoni (nhóm Streptobacterium) + Phát triển trên môi trường có nguồn nitơ duy nhất là muối amoni (nhóm Streptococcus). Do phần lớn vi khuẩn lactic không có khả năng tổng hợp được các dạng nitơ hữu cơ phức tạp, vì vậy chúng cần hỗn hợp các acid amine, dịch thủy phân protein từ cazein, bột đậu tương, khô lạc,... làm nguồn pepton, peptid và những hợp chất acid amine khác nhau có trong môi trường - Nguồn vitamine: vi khuẩn lactic nói chung, đặc biệt là trực khuẩn rất cần vitamine làm nguồn chất sinh trưởng. Người ta xác định được rằng: yêu cầu về vitamine riêng biệt của vi khuẩn lactic có thể thay đổi khi trong môi trường có các acid amine hoặc acid béo và dezoxyribozit khác nhau. Kiềm purin cũng ảnh hưởng tới nhu cầu của vi khuẩn về acid n-aminobenzoic, nhu cầu về acid folic giảm nhiều nếu như môi trường có chứa tất cả các acid amine đã biết, timin hoặc timidin, kiềm purin được tổng hợp nhờ vi khuẩn trong sự tham gia của acid folic. Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 11
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh - Các chất nitơ: để phát triển và phục vụ các hoạt động sống các vi khuẩn lactic cũng cần các hợp chất vô cơ như: Cu, Fe, Na, P, I2, S, Mn, đặc biệt là Mn có tác dụng phòng chống tế bào bị tự phân. Vi khuẩn làm giảm độ acid có trong môi trường cần có phức hợp các chất khoáng. Cầu khuẩn lên men lactic dị hình không phát triển được ở môi trường đã làm sạch các chất khoáng nhờ trao đổi ion. Khi vi khuẩn đã kém hoạt lực có thể cho chúng hoạt hóa ở môi trường đã được bổ sung những ion K+ cùng Mg2+ hoặc Mn2+. - Oxy: vi khuẩn latic không có hệ enzyme xitochrom tham gia vào hô hấp, nhưng chúng lại thực hiện được hô hấp nhờ hoạt tính của một số hợp chất có mặt của hệ flavoproteit. Quan hệ giữa các loài vi khuẩn với oxy ở mức độ hiếu khí của môi trường khác nhau là khác nhau. Trong điều kiện kị khí nghiêm ngặt chỉ làm cho trực khuẩn lên men dị hình chậm phát triển khi ban đầu, còn đối với trực khuẩn lên men đồng hình sinh trưởng bị giảm 10%, lên men giảm 23%. Các loài lên men dị hình sinh trưởng tốt nhất ở điều kiện kị khí, các loài không sử dụng pentose thì phát triển kém trong điều kiện này. - Nhiệt độ: Topt = 25oC, đại bộ phận vi khuẩn lactic bị chết từ 45oC trở lên, riêng loài Lactobacillus delbrueckii là loài chịu được nhiệt độ 50oC phát triển và hoạt động mạnh mẽ. - pH môi trường: các chủng vi khuẩn lactic chịu được pH thấp khác nhau, đối với vi khuẩn tách từ rượu vang có thể chịu được ph= 3 ÷ 3.5 hoặc thấp hơn, các chủng loại tách từ dưa, mắm chua chịu được pH= 3.7 trở lên,... Các cầu khuẩn lên men dị hình chịu được acid nhiều nhất, ít hơn là các trực khuẩn lên men dị hình. Các trực khuẩn lên men đồng hình chiếm vị trí trung gian. 2.1.2 Cơ chế lên men lactic Lên men lactic là quá trình chuyển hóa đường thành axit lactic nhờ vi sinh vật, điển hình là vi khuẩn lactic. Lên men lactic là một trong những loại hình lên men phát triển nhất trong thiên nhiên, có hai kiểu lên men lactic chính là lên men đồng hình và lên men dị hình. 2.1.2.1 Lên men lactic đồng hình (điển hình) Trong trường hợp này axit pyruvic được tạo thành theo sơ đồ Embden-Mayerhorf- Parnas (EMP), hydro được tách ra và chuyển tới pyruvat. Sau đó axit pyruvic sẽ tạo thành axit lactic dưới tác dụng của enzyme lactatdehydrogenase. Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 12
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Sơ đồ chu trình EMP Lượng axit lactic tạo thành chiếm hơn 90%. Chỉ một lượng nhỏ pyruvat bị khử cacbon để tạo thành axit axetic, etanol, CO2 và axeton. Lượng sản phẩm phụ tạo thành phụ thuộc vào sự có mặt của oxy. C6H12O6 enzyme 2CH3CHOHCOOH + 225Cal 2.1.2.2 Lên men lactic dị hình (không điển hình) Xảy ra trong trường hợp vi khuẩn lactic không có các enzyme cơ bản của sơ đồ Embden – Mayerhorf – Parnas (aldolase và triozophotphatizomerase). Nghĩa là qua glucose- 6 phosphat, 6- phosphoglucose và ribulose-5-phosphat. Ribolu-5-phosphat dưới tác dụng của epimerase chuyển thành xilulose 5-photphat. Xilulose-5-phosphat sẽ được tạo thành theo con đường pento-photphat (PP). Dưới tác dụng của enzyme pentozaphosphoxetolase bị phân hủy để tạo thành aldehyd phosphoglyxerinic và acetyl phosphate. Trong trường hợp này chỉ có 50% lượng đường tạo thành axit lactic, ngoài ra còn có các sản phẩm phụ khác như: axic axetic, etanol, CO2. Dưới tác dụng của axetatkinase (có phosphoril hóa ADP) sẽ tạo thành axetat (hoặc bị khử thành axetaldehyd rồi thành rượu etanol), còn aldehyd phosphoglyxerinic theo con đường thông thường của sơ đồ Embden-Meyerhorf. Các sản phẩm phụ tương tác với nhau tạo thành ester có mùi thơm. Phương trình tổng quát: Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 13
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh C6H12O6 → CH3CHOHCOOH + CH3COOH + C2H5OH + COOH(CH2)2COOH + CO2 Glucose axit lactic (40%) axit acetic etanol axit sucxinic Lượng sản phẩm phụ tạo thành hoàn toàn phụ thuộc vào giống vi sinh vật, vào môi trường dinh dưỡng và điều kiện ngoại cảnh, nói chung thì axit lactic thường chiếm 40% lượng đường đã được phân hủy, axit sucxinic 20%, rượu etylic chiếm 10%, axit axetic 10% và các loại khí gần 20%. 2.1.2.3 Phân loại: Phân loại theo Bergey: Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 14
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Phân loại theo khả năng lên men: Bảng phân loại vi khuẩn lactic theo khả năng lên men Cầu khuẩn Trực khuẩn Lên men đồng hình: C6H12O6 → 2CH3CHOHCOOH Vi khuẩn ưa nhiệt Streptococcus lactis Lactobacillus lactis Streptococcus faecalis Lactobacillus helveticus Streptococcus salivarius Lactobacillus acidophilus Streptococcus pyogenes Lactobacillus bulgaricus Streptococcus cremoris Lactobacillus delbruckii Streptococcus thermophilus Vi khuẩn ưa ấm Streptococcus diacetilactis Lactobacillus casei Pediococcus cerevisiae Lactobacillus plantarum Lactobacillus inulinus Lên men dị hình C6H12O6 → 2CH3CHOHCOOH + CH3CH2OH + CO2 + CH3COOH Leuconostoc mesenteroides Lactobacillus brevis (Betacoccus) Lactobacillus viridescens Leuconostoc citrovorum Lactobacillus fermenti Thực tế, chỉ có nhóm vi khuẩn lên men lactic đồng hình là có ý nghĩa về mặt công nghệ do nhóm này tạo nhiều acid lactic trong quá trình lên men 2.1.2.4 Vi khuẩn trong sản xuất acid lactic: Sản xuất công nghiệp acid lactic được bắt đầu từ cuối thế kỉ 19. Avery là người đầu tiên tìm ra cách sản xuất acid lactic ở quy mô thương mại ở Littleton (Mỹ) vào năm 1881, nhưng không thành công. Nhà máy đầu tiên thực sự mang lại thành công đã được Boehringer xây dựng vào năm 1895 ở Ingelheim thuộc nước Đức. Tại nhà máy Ingelheim, Lactobacillus delbrueckii đã được sử dụng để sản xuất acid lactic. Ngày nay ngoài Lactobacillus leichmanii và Lactobacillus bulgaricus, loài vi khuẩn Lactobacillus delbruecki vẫn còn được sử dụng. Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 15
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Với mỗi loại vi khuẩn có những khả năng lên men các loại đường khác nhau nên tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu sẽ chọn giống vi khuẩn dùng vào sản xuất cho thích hợp. Nếu nguyên liệu là huyết thanh sữa thì chọn các chủng Streptococcus lactis, Lactobacillus bulgaricus. Trong quá trình lên men với nguyên liệu chứa tinh bột và rỉ đường, người ta dùng giống vi khuẩn lactic ưa nhiệt Lactobacillus delbrueckii. Tóm lại trong công nghiệp sản xuất acid lactic, người ta thường sử dụng các loài vi khuẩn lactic điển hình . Sau đây là đặc điểm của một số loài vi khuẩn lactic thường được sử dụng trong sản xuất acid lactic từ nguyên liệu chứa đường: Lactobacillus delbrueckii: - Là trực khuẩn dài, không di động, gram (+), kích thước: rộng 0.5-0.8μm, dài 2.0-9.0 μm. Khoảng nhiệt độ phát triển của nó là: tmax=550C, tmin=180C và topt=45-500C. - - Chúng lên men được các loại đường glucose, fructose, maltose, saccharose, galactose và dextrin. Chúng không có khả năng lên men được xylose, arabinose, rahamnose, lactose, raffinose, trehalose, inulin, mannital. - Điều khác nhau cơ bản của Lactobacillus delbrueckii với các vi khuẩn khác là nó không lên men được lactose, vì vậy không được dùng trong công nghiệp sữa. Nhưng nó lại lên men mạnh các đường glucose, maltose, saccharose nên được dùng trong sản xuất acid lactic. Tích tụ được 2.2% acid lactic trong môi trường. - Trong dịch nuôi cấy trực khuẩn này có thể tạo thành acid lactic với hiệu suất chuyển hoá so với đường là 70%. - Trực khuẩn này thường gặp ở các loại hạt cốc, đặc biệt là đại mạch. Lactobacillus leichmannii: - Trực khuẩn, gram (+), kích thước tế bào 0.6-2.0μm, trong thiên nhiên chúng có khả năng tạo thành chuỗi ngắn. - Có khả năng lên men một số loại đường như glucose, fructose, maltose, saccharose, trehalose. Chúng không lên men được lactose, arabinose, rahamnose, galactose, dextrin, inulin. Nhiệt độ phát triển tối ưu là 360C. - - Trong quá trình lên men chúng tạo ra L-acid lactic. - Chúng không có khả năng tạo nitrit từ nitrate. Nó không lên men được lactose, vì vậy không được dùng trong công nghiệp sữa, nhưng dùng để sản xuất acid lactic. Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 16
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh trong phạm vi bài báo cáo này ta chọn loài Lactobacillus delbrueckii để thực hiện quá trình lêm men tổng hợp acid lactic. 2.1.3 Chuẩn bị nguồn cơ chất 2.1.3.1 Mật rỉ: Định nghĩa: Rỉ đường hay còn gọi là mật rỉ, là phần còn lại của dung dịch đường sau khi đã tách phần đường kết tinh. Số lượng và chất lượng của rỉ đường phụ thuộc vào giống mía, điều kiện trồng trọt, hoàn cảnh địa lý và trình độ kĩ thuật chế biến của nhà máy đường. Phân loại: Trong công nghiệp đường thường thu được mật rỉ là dịch đường sau khi đã kết tinh. Các loại mật rỉ gồm có: - Mật rỉ hydrol: dịch thu được sau khi kết tinh glucose ở các xí nghiệp thủy phân bột bằng acid để sản xuất glucose. Trong hydrol có tới 40 - 50% glucose và có một hàm lượng đáng kể NaCl. - Rỉ đường: ở các nhà máy đường sản xuất saccharose có một phụ phẩm với tỉ lệ khá lớn, đó là rỉ đường. Đây là một loại nước cốt được tách ra sau khi kết tinh đường. Có hai loại rỉ đường là rỉ đường củ cải và rỉ đường mía (tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu của nhà máy đường). Cả hai loại rỉ này đều có màu nâu sẩm do được nấu và cô nhiều lần nên có nhiều caramen và melanoid tạo thành Thành phần hóa học: Thành phần chính trong rỉ đường là: đường 62%, các chất phi đường 10%, nước 20%. Nước trong rỉ đường gồm phần lớn ở trạng thái tự do và một số ít ở trạng thái liên kết dưới dạng hydrat. Đường trong rỉ đường bao gồm: 25-40% saccharose; 15-25% đường khử (glucose và frutose); 3-5% đường không lên men được. Ở đây do nhiều lần pha loãng và cô đặc, một lượng nhất định saccharose bị biến thành hợp chất tương tự dextrin do tác dụng của nhiệt. Chất này có tính khử nhưng không lên men được và không có khả năng kết tinh. Đường nghịch đảo của rỉ đường bắt nguồn từ mía và sự thủy phân saccharose trong quá trình chế biến đường. Tốc độ Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 17
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh phân giải tăng lên theo chiều tăng của nhiệt độ và độ giảm hay tăng của pH tùy theo thủy phân bằng acid hay kiềm. Các chất phi đường gồm có các chất hữu cơ và vô cơ. Các chất hữu cơ chứa các acid amin( trừ tiroxin và xistin) cùng một lượng rất nhỏ protein và sản phẩm phân giải của nó.Các chất phi đường không chứa nitơ bao gồm pectin, araban, galactan hoặc các sản phẩm thủy phân của chúng là arabinose và galactose, chất nhầy, chất màu và chất thơm. Pectin bị kết tủa trong quá trình chế biến đường nhưng các chất còn lại không kết tủa và gần như hoàn toàn đi vào rỉ đường (1.22-1.56%). Hàm lượng % trong Các chất thành phần đường Saccharose 32 Chất hữu cơ phi đường 10 Chất tro 8 Trong đó: K2O 3.5 CaO 1.5 MgO 0.1 SiO2 0.5 SO3 1.6 Cl2 0.4 Na2O + Fe2O3+ Al2O3 0.2 P2O5 0.2 N tổng 5-2.2 N-amin 0.2-0.5 Bảng 1: Thành phần các chất trong rỉ đường Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 18
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Vitamin Hàm lượng (mg%) Thiamin 0.5 Riboflavin 0.12 Pyridoxin 0.9 Nicotinamit 1.5 Acid pantotenic 7.0 Acid foleic 0.02 Biotin 0.15 Inozit 500.0 Bảng 2: Thành phần vitamin trong rỉ đường mía Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 19
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: Ngô Lâm Tuấn Anh Các chất màu của rỉ đường mía bao gồm: + Caramen: xuất hiện nhờ quá trình nhiệt phân saccharose kèm theo loại trừ nước và không chứa một chút nito nào. Khi pH không đổi, tốc độ tạo chất caramen tỷ lệ thuận với nhiệt độ phản ứng. + Phức chất polyphenol-Fe2+: có màu vàng xanh +Melanodin: đây là sản phẩm ngưng tụ của đường khử và acid amin mà chủ yếu là acid aspartic. Sản phẩm ngưng tụ quen biết nhất là acid fuscazinic đóng vai trò quan trọng làm tăng độ màu của rỉ đường. +Melanin: được hình thành nhờ phản ứng oxy hóa khử các acidamin thơm nhờ xúc tác của enzym polyphenol oxydaza khi có mặt của oxy và Cu+2. Các acid amin thơm thường bị oxy hóa là tiroxin và brenzcatechin. Các melanin thường bị loại hết ở giai đoạn làm sạch nước đường nên chỉ tìm thấy một lượng rất nhỏ trong rỉ đường. +Humin: được trùng hợp từ 66 - 68 các đơn vị cấu tạo của acid amin. +Chất keo: chủ yếu là pectin, chất sáp và chất nhầy. Các chất này ảnh hưởng rất nhiều đến sự phát triển của vi sinh vật tạo thành màng bao bọc quanh tế bào, ngăn cản quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng và thải các sản phẩm trao đổi chất của tế bào ra ngoài. Ngoài ra keo là nguyên nhân chính tạo ra một lượng bọt lớn trong môi trường nuôi cấy vi sinh vật, giảm hiệu suất sử dụng thiết bị. Yêu cầu của rỉ đường làm nguyên liệu trong sản xuất acid lactic: - Chất khô >= 75% - Hàm lượng sacaroza: 50 - 51% lượng đường.pH = 6.5 - 8.5 - Hàm lượng N-chung không ít hơn 1.4 % - Số lượng vi sinh vật không quá 15000 cfu/1g nguyên liệu. - Khi sử dụng rỉ đường, có thể dùng những con số sau để tính toán pha môi trường(%) - Sacaroza = 50 % - Đường khử 6-9 % Công Nghệ Sản Xuất Acid Lactic http://www.ebook.edu.vn Trang 20