Luận văn thạc sĩ công nghệ thực phẩm ảnh hưởng của hydroxymethylfurfural đến khả năng lên men ethanol của kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate

Luận văn thạc sĩ công nghệ thực phẩm nghiên cứu ảnh hưởng của hydroxymethylfurfural đến khả năng lên men ethanol của Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate.

• Tác giả: Nguyễn Hồng Phương Thảo
• Người hướng dẫn: GS.TS Lê Văn Việt Mẫn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
• Đề tài: Ảnh hưởng của Hydroxymethylfurfural đến khả năng lên men ethanol của Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Lên men ethanol là quá trình nấm men chuyển hóa các loại đường đơn giản thành ethanol và carbon dioxide
• 1.2. Các phương pháp cố định tế bào nấm men
• 1.3. Chất mang alginate canxi trong công nghiệp lên men
• 1.4. Nấm men Kluyveromyces marxianus và tiềm năng ứng dụng
• 1.5. Quy trình sản xuất ethanol từ nguyên liệu giàu lignocellulose
• 1.6. Ảnh hưởng của hydroxymethylfurfural (HMF) đến khả năng lên men ethanol
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Nấm men Kluyveromyces marxianus
• 2.2. Khả năng chịu ức chế của nấm men Kluyveromyces marxianus
• 2.3. Khả năng ứng dụng của Kluyveromyces marxianus trong lên men ethanol
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Chất mang Alginate
• 3.2. Mục đích và nội dung nghiên cứu
• 3.3. Quy trình cố định nấm men trong gel alginate
• 3.4. Nội dung thí nghiệm
• 3.5. Phương pháp nghiên cứu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Ảnh hưởng của nồng độ HMF lên sự sinh trưởng và khả năng lên men của nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate
• 4.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ HMF đến quá trình sinh trưởng của nấm men cố định
• 4.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ HMF đến quá trình sử dụng cơ chất của nấm men cố định trong gel alginate và nấm men tự do
• 4.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ HMF đến quá trình sinh tổng hợp ethanol của nấm men cố định
• 4.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ HMF đến thành phần lipid trên màng tế bào
• 4.2. Tái sử dụng nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate
• 4.2.1. Khả năng sử dụng cơ chất của nấm men cố định trong quá trình tái sử dụng
• 4.2.2. Khả năng sinh tổng hợp sản phẩm của nấm men cố định trong quá trình tái sử dụng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Ảnh hưởng của Hydroxymethylfurfural HMF đến quá trình lên men ethanol

Hydroxymethylfurfural (HMF) là một chất ức chế quan trọng trong quá trình lên men ethanol, đặc biệt khi sử dụng nguyên liệu giàu lignocellulose. HMF được hình thành trong quá trình tiền xử lý nguyên liệu, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sự sinh trưởng và khả năng lên men của nấm men. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá mức độ ảnh hưởng của HMF đến Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate so với nấm men tự do. Kết quả cho thấy, khi nồng độ HMF tăng từ 0 lên 5g/L, tốc độ sinh trưởng và mật độ tế bào của nấm men giảm đáng kể. Tuy nhiên, nấm men cố định trong gel alginate thể hiện khả năng chịu đựng tốt hơn so với nấm men tự do, đặc biệt trong việc sử dụng cơ chất và tổng hợp ethanol.

1.1. Tác động của HMF đến sự sinh trưởng của Kluyveromyces marxianus

Khi nồng độ HMF tăng, tốc độ sinh trưởng của Kluyveromyces marxianus giảm đáng kể. Nấm men cố định trong gel alginate giảm 1.59 lần, trong khi nấm men tự do giảm 2.29 lần. Điều này cho thấy, việc cố định tế bào trong gel alginate giúp nấm men duy trì khả năng sinh trưởng tốt hơn trong môi trường có chất ức chế. Ngoài ra, nấm men cố định có thể sử dụng cạn kiệt đường trong khi nấm men tự do chỉ đạt được điều này ở nồng độ HMF thấp (1g/L).

1.2. Ảnh hưởng của HMF đến hiệu suất lên men ethanol

Nồng độ HMF cao làm giảm hiệu suất lên men ethanol của cả nấm men cố định và nấm men tự do. Tuy nhiên, nấm men cố định trong gel alginate vẫn duy trì được hiệu suất lên men cao hơn so với nấm men tự do. Điều này được thể hiện qua tốc độ sử dụng đường và tổng hợp ethanol. Nấm men cố định có thể tái sử dụng qua 30 chu kỳ lên men mà không bị giảm hoạt tính, trong khi nấm men tự do không thể tái sử dụng do thời gian lên men kéo dài.

II. Công nghệ cố định tế bào trong gel alginate

Cố định tế bào Kluyveromyces marxianus trong gel alginate là một phương pháp hiệu quả để nâng cao khả năng chịu đựng của nấm men trong môi trường có chất ức chế. Phương pháp này giúp tế bào duy trì hoạt tính lên men ổn định, đồng thời giảm chi phí tách tế bào khỏi dịch lên men. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng, việc cố định tế bào trong gel alginate làm giảm độ bất bão hòa của acid béo trong màng tế bào, giúp tế bào thích nghi tốt hơn với môi trường có HMF.

2.1. Ưu điểm của phương pháp cố định tế bào

Phương pháp cố định tế bào trong gel alginate mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng tái sử dụng tế bào qua nhiều chu kỳ lên men, giảm chi phí tách tế bào, và duy trì hoạt tính lên men ổn định trong môi trường không thuận lợi. Ngoài ra, gel alginate là chất mang phổ biến và dễ sử dụng trong công nghiệp lên men.

2.2. Ảnh hưởng của cố định tế bào đến thành phần lipid màng tế bào

Quá trình cố định tế bào trong gel alginate làm thay đổi thành phần lipid trong màng tế bào của Kluyveromyces marxianus. Cụ thể, độ bất bão hòa của acid béo giảm, giúp tế bào thích nghi tốt hơn với môi trường có chất ức chế như HMF. Điều này giải thích tại sao nấm men cố định có khả năng chịu đựng tốt hơn so với nấm men tự do.

III. Ứng dụng thực tiễn và ý nghĩa của nghiên cứu

Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho việc ứng dụng Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate vào quy trình sản xuất ethanol công nghiệp. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nấm men cố định có khả năng chịu đựng tốt hơn trong môi trường có chất ức chế, đồng thời duy trì hiệu suất lên men cao. Điều này mở ra tiềm năng lớn trong việc sử dụng nguyên liệu giàu lignocellulose để sản xuất ethanol, giảm chi phí và tăng hiệu quả kinh tế.

3.1. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp

Việc sử dụng Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate có thể được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất ethanol, đặc biệt khi sử dụng nguyên liệu giàu lignocellulose. Phương pháp này giúp giảm chi phí sản xuất, tăng hiệu suất lên men, và giảm thiểu tác động của các chất ức chế như HMF.

3.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu này mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc tối ưu hóa quy trình lên men ethanol bằng Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất lên men, tăng khả năng chịu đựng của nấm men trong môi trường có nhiều chất ức chế, và ứng dụng phương pháp này trong quy mô công nghiệp lớn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình lên men ethanol đóng vai trò quan trọng trong sản xuất nhiên liệu sinh học và các sản phẩm công nghiệp khác. Theo ước tính, sản lượng ethanol toàn cầu ngày càng tăng do nhu cầu sử dụng nhiên liệu sạch và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, quá trình lên men thường bị ảnh hưởng bởi các chất ức chế sinh học phát sinh trong quá trình tiền xử lý nguyên liệu lignocellulose, trong đó hydroxymethylfurfural (HMF) là một trong những chất ức chế chính làm giảm hiệu suất lên men ethanol. Nghiên cứu này tập trung đánh giá ảnh hưởng của HMF đến khả năng sinh trưởng và lên men ethanol của nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate so với nấm men tự do.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xác định mức độ ảnh hưởng của HMF đến sự sinh trưởng, sử dụng cơ chất, sinh tổng hợp ethanol và thành phần acid béo màng tế bào của nấm men cố định và tự do; đồng thời đánh giá khả năng tái sử dụng của nấm men cố định trong môi trường có HMF. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 12/2016 đến tháng 12/2017.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển quy trình lên men ethanol công nghiệp sử dụng nấm men cố định, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và tăng khả năng chịu đựng của nấm men trước các chất ức chế sinh học. Qua đó, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ sinh học trong ngành công nghiệp thực phẩm và năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết lên men ethanol: Quá trình chuyển hóa đường glucose thành ethanol và CO₂ dưới điều kiện yếm khí, trong đó nấm men đóng vai trò trung tâm trong việc xúc tác phản ứng sinh học.
• Mô hình cố định tế bào trong gel alginate: Phương pháp đóng gói tế bào nấm men trong gel alginate canxi nhằm tăng cường tính ổn định và khả năng tái sử dụng tế bào trong quá trình lên men.
• Khái niệm chất ức chế sinh học (HMF): HMF là sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình tiền xử lý lignocellulose, có khả năng ức chế enzyme nội bào như alcohol dehydrogenase (ADH), pyruvate dehydrogenase (PDH), aldehyde dehydrogenase (ALDH), làm giảm hiệu suất lên men ethanol.
• Khả năng thích nghi và chuyển hóa HMF của nấm men: Nấm men có thể chuyển hóa HMF thành các hợp chất ít độc hơn như furan-2,5-dimethanol (FDM) thông qua các enzyme oxidoreductase với sự tham gia của NADH và NADPH.
• Thay đổi thành phần acid béo màng tế bào: Sự biến đổi tỷ lệ acid béo bão hòa và không bão hòa trong màng tế bào giúp nấm men thích nghi với môi trường có chất ức chế.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nấm men Kluyveromyces marxianus được cung cấp từ phòng thí nghiệm Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. HMF tinh khiết 99% được mua từ Sigma-Aldrich. Gel alginate canxi được chuẩn bị từ natri alginate và CaCl₂.
• Phương pháp cố định tế bào: Nấm men được cố định trong gel alginate canxi bằng phương pháp nhỏ giọt hỗn hợp huyền phù nấm men và dung dịch alginate vào dung dịch CaCl₂ 0.05M, tạo thành hạt gel có đường kính 3-4 mm.
• Thiết kế thí nghiệm: Thí nghiệm được thực hiện với các nồng độ HMF 0, 1, 2, 3, 4, 5 g/L trong môi trường lên men glucose 150 g/L, nhiệt độ 35°C, thể tích 10-100 mL tùy mục đích. So sánh giữa nấm men cố định và nấm men tự do.
• Phân tích số liệu: Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần, kết quả được xử lý bằng phân tích phương sai (ANOVA) với phần mềm Statgraphics XV.I để xác định ý nghĩa thống kê.
• Phương pháp phân tích:
  • Xác định mật độ tế bào bằng buồng đếm Neubauer và nhuộm xanh methylene.
  • Xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp quang phổ với thuốc thử DNS.
  • Xác định hàm lượng ethanol bằng kit enzym ethanol assay dựa trên phản ứng xúc tác của ADH và ALDH.
  • Phân tích thành phần acid béo màng tế bào bằng phương pháp sắc ký khí sau khi trích ly lipid.
• Timeline nghiên cứu: Từ tháng 12/2016 đến tháng 12/2017, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị mẫu, cố định tế bào, thực hiện thí nghiệm lên men, phân tích dữ liệu và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của HMF đến sinh trưởng nấm men: Khi tăng nồng độ HMF từ 0 đến 5 g/L, mật độ tế bào cực đại của nấm men cố định giảm khoảng 2.29 lần, trong khi nấm men tự do giảm mạnh hơn. Mật độ tế bào cực đại của nấm men cố định luôn cao hơn 1.58 lần so với nấm men tự do ở mọi nồng độ HMF. Thời gian đạt mật độ cực đại của nấm men cố định ngắn hơn từ 24 đến 36 giờ so với nấm men tự do ở các nồng độ HMF cao (2-5 g/L).

2. Khả năng sử dụng cơ chất: Lượng đường sót sau 96 giờ lên men của nấm men cố định luôn dưới 5 g/L, trong khi nấm men tự do có lượng đường sót tăng từ 3.2 g/L lên đến trên 10 g/L khi nồng độ HMF tăng từ 1 đến 5 g/L. Tốc độ sử dụng đường của nấm men cố định cao hơn 1.39 lần so với nấm men tự do khi HMF tăng lên 1 g/L và duy trì ổn định ở các nồng độ cao hơn.

3. Hiệu suất sinh tổng hợp ethanol: Nồng độ ethanol cuối cùng của nấm men cố định đạt khoảng 56 g/L ở môi trường không có HMF, giảm dần khi tăng HMF nhưng vẫn cao hơn đáng kể so với nấm men tự do. Hiệu suất sinh ethanol của nấm men cố định cao hơn từ 1.12 đến 1.67 lần so với nấm men tự do ở các nồng độ HMF khảo sát.

4. Thay đổi thành phần acid béo màng tế bào: Nấm men cố định có xu hướng tăng tỷ lệ acid béo bão hòa (palmitic C16:0, stearic C18:0) và giảm tỷ lệ acid béo không bão hòa (oleic C18:1, linoleic C18:2) theo thời gian lên men và khi tăng nồng độ HMF. Sự thay đổi này giúp màng tế bào nấm men cố định tăng tính ổn định và khả năng chịu đựng môi trường có chất ức chế.

5. Khả năng tái sử dụng nấm men cố định: Nấm men cố định trong gel alginate duy trì hoạt tính lên men ổn định qua 30 chu kỳ lên men trong môi trường có 2 g/L HMF, trong khi nấm men tự do không thể tái sử dụng do thời gian lên men kéo dài và hiệu suất giảm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate có khả năng sinh trưởng và lên men ethanol vượt trội so với nấm men tự do trong môi trường có chất ức chế HMF. Sự cố định tế bào giúp bảo vệ màng tế bào khỏi tác động trực tiếp của HMF, đồng thời làm giảm độ bất bão hòa của acid béo màng, tăng tính bền vững của tế bào. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về nấm men Saccharomyces cerevisiae cố định, cho thấy tế bào cố định có khả năng chịu đựng tốt hơn trong môi trường có chất ức chế.

Việc nấm men cố định duy trì hiệu suất lên men cao và khả năng tái sử dụng lâu dài giúp giảm chi phí sản xuất và tăng hiệu quả kinh tế trong công nghiệp ethanol. Các biểu đồ sinh trưởng, sử dụng đường và sinh tổng hợp ethanol minh họa rõ ràng sự khác biệt về hiệu suất giữa nấm men cố định và tự do, đồng thời bảng số liệu phân tích acid béo màng tế bào cung cấp bằng chứng sinh học cho cơ chế thích nghi của tế bào cố định.

Những phát hiện này mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng rộng rãi nấm men cố định trong các quy trình lên men ethanol từ nguyên liệu lignocellulose có chứa các chất ức chế sinh học, góp phần nâng cao hiệu quả và tính bền vững của công nghệ sinh học.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng nấm men cố định trong quy trình lên men công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate để tăng hiệu suất lên men ethanol, đặc biệt trong môi trường có chất ức chế HMF với mục tiêu giảm lượng đường sót dưới 5 g/L và duy trì nồng độ ethanol trên 50 g/L. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các nhà máy sản xuất ethanol.

2. Tối ưu hóa quy trình cố định tế bào: Đề xuất nghiên cứu thêm về các điều kiện cố định như nồng độ alginate, kích thước hạt gel để nâng cao mật độ tế bào và khả năng chịu đựng môi trường. Mục tiêu tăng mật độ tế bào cố định lên trên 6x10⁷ tb/mL hạt gel. Thời gian: 6-12 tháng, chủ thể: các phòng thí nghiệm công nghệ sinh học.

3. Phát triển quy trình tái sử dụng nấm men cố định: Xây dựng quy trình tái sử dụng nấm men cố định qua ít nhất 30 chu kỳ lên men với hiệu suất ổn định, giảm chi phí nguyên liệu và xử lý. Thời gian: 1 năm, chủ thể: doanh nghiệp công nghiệp sinh học.

4. Nghiên cứu cơ chế sinh học và biến đổi màng tế bào: Khuyến khích nghiên cứu sâu về cơ chế thay đổi thành phần acid béo màng tế bào giúp tăng khả năng chịu đựng HMF, từ đó phát triển các chủng nấm men cải tiến. Thời gian: 1-2 năm, chủ thể: viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu chi tiết về ảnh hưởng của HMF và phương pháp cố định tế bào, hỗ trợ phát triển các dự án nâng cao hiệu quả lên men ethanol.

2. Doanh nghiệp sản xuất ethanol và nhiên liệu sinh học: Thông tin về khả năng tái sử dụng nấm men cố định giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí và tăng năng suất.

3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sinh học: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, phân tích số liệu và ứng dụng công nghệ cố định tế bào.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về năng lượng tái tạo: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ sinh học bền vững trong sản xuất nhiên liệu sinh học.

Câu hỏi thường gặp

1. HMF là gì và tại sao nó lại ức chế quá trình lên men ethanol?
   HMF (5-hydroxymethylfurfural) là sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình tiền xử lý lignocellulose. Nó ức chế enzyme nội bào như ADH, PDH, ALDH, làm giảm khả năng chuyển hóa acetaldehyde thành ethanol, gây tích tụ độc tố và làm giảm sinh trưởng nấm men.

2. Tại sao nấm men cố định trong gel alginate lại có hiệu suất lên men cao hơn nấm men tự do?
   Gel alginate tạo môi trường bảo vệ tế bào, giúp duy trì tính toàn vẹn màng tế bào, giảm tác động của chất ức chế và tăng khả năng tái sử dụng tế bào, từ đó nâng cao hiệu suất lên men ethanol.

3. Khả năng tái sử dụng nấm men cố định trong nghiên cứu này như thế nào?
   Nấm men cố định duy trì hoạt tính lên men ổn định qua 30 chu kỳ lên men trong môi trường có 2 g/L HMF, giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất so với nấm men tự do không thể tái sử dụng.

4. Thành phần acid béo màng tế bào ảnh hưởng ra sao đến khả năng chịu đựng HMF?
   Tăng tỷ lệ acid béo bão hòa và giảm acid béo không bão hòa làm màng tế bào ổn định hơn, giảm tính thấm và tổn thương do HMF, giúp tế bào nấm men cố định thích nghi tốt hơn với môi trường có chất ức chế.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các loại nấm men khác không?
   Mặc dù tập trung vào Kluyveromyces marxianus, nguyên lý cố định tế bào và ảnh hưởng của HMF có thể áp dụng cho các loại nấm men khác như Saccharomyces cerevisiae, tuy nhiên cần nghiên cứu cụ thể từng chủng để tối ưu hóa.

Kết luận

• Nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate có khả năng sinh trưởng và lên men ethanol vượt trội so với nấm men tự do trong môi trường có HMF từ 1 đến 5 g/L.
• Nồng độ ethanol cuối và hiệu suất sinh ethanol của nấm men cố định luôn cao hơn từ 1.12 đến 1.67 lần so với nấm men tự do.
• Thành phần acid béo màng tế bào thay đổi theo hướng tăng bão hòa giúp tế bào cố định chịu đựng tốt hơn với chất ức chế HMF.
• Nấm men cố định duy trì hoạt tính lên men ổn định qua 30 chu kỳ tái sử dụng trong môi trường có HMF, trong khi nấm men tự do không thể tái sử dụng hiệu quả.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng nấm men cố định trong công nghiệp ethanol, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí.

Next steps: Triển khai nghiên cứu ứng dụng quy mô pilot tại các nhà máy sản xuất ethanol, đồng thời tối ưu hóa quy trình cố định tế bào và tái sử dụng.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực công nghệ sinh học nên hợp tác để phát triển và ứng dụng công nghệ nấm men cố định nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất ethanol bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYEN HỎNG PHƯƠNG THẢO ANH HUONG CUA HYDROXYMETHYLFURFURAL DEN KHA NANG LEN MEN ETHANOL CUA KLUYVEROMYCES MARXIANUS CO ĐỊNH TRONG GEL ALGINATE Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm Mã số: 60540101 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HOC BACH KHOA - ĐHQG - HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS.TS Lê Văn Việt Mẫn PGS.TS Hoàng Kim Anh Cán bộ chấm nhận xét Ì:.- 2-2 sc S2+EEEEEEEEE2E1EE11221211111111211111111 11.cEA (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: ooecccccccccccccccccsscssscesesesesssesesseasesessseavesessseavavesesesveveseavaveveees (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Đại học Bách Khoa, DHQG Tp. Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đông châm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HOI DONG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUOC GIA TP. HO CHI MINH Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập- Tự do- Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Hồng Phương Thảo MSHV: 1570441 Ngày sinh: 01/01/1992 Nơi sinh: Sóc Trăng Chuyên ngành: Công nghệ Thực Phẩm Mã số: 60540101 I. Tên đề tài ANH HUONG CUA HYDROXYMETHYLFURFURAL DEN KHẢ NANG LÊN MEN ETHANOL CUA KLUYVEROMYCES MARXIANUS CÔ ĐỊNH TRONG GEL ALGINATE. Nhiệm vu và nội dung - Xac định mức độ ảnh hưởng cua HMF đến sự sinh trưởng và khả năng lên men ethanol của nấm men Kluyveromyces marxianus cô định trong gel alginate và nam men tự đo.

- - Xác định mức độ ảnh hưởng của HMF đến sự thay đổi thành phan acid béo trong mang tế bao chất của nâm men có định trong gel alginate và nâm men tự đo. - _ Xác định khả năng tái sử dụng của nắm men có định trong gel alginate trong môi trường lên men có chat ức chê HMF. Ngày giao nhiệm vụ 01/12/2016 IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ 01/12/2017 V.

Cán bộ hướng dẫn GS. Lê Văn Việt Mẫn PGS.TS Hoàng Kim Anh Tp. Hồ Chí Minh, ngày — tháng O1 năm 2018 Can bộ hướng dan Chủ nhiệm bộ môn GS.TS Lê Văn Việt Mẫn GS.TS Lê Văn Việt Man PGS.TS Hoàng Kim Anh Trưởng khoa Kỹ Thuật Hóa Học LOI CAM ON Đầu tiên, em kính gửi lời cảm on sâu sắc đến GS.TS Lê Van Việt Man va PGS.TS Hoàng Kim Anh đã giúp đỡ, hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thiện luận văn này. Kế đến, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Công nghệ Thực phẩm đã tận tình dạy bảo, truyền đạt những kiến thức cần thiết và bố ích dé giúp em hoàn thiện chuyên môn và bản thân hơn.

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ em có đủ niềm tin để hoàn thành luận văn. Em cũng không quên gửi lời cảm ơn đến NCS Nguyễn Thanh Sang và bạn Lưu Hồ Yến Ngọc đã đồng hành và hỗ trợ em trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Hồ Chí Minh, ngày tháng 01 năm 2018 Học viên thực hiện Nguyễn Hồng Phương Thảo TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong nghiên cứu này, quá trình lên men ethanol của nấm men K/yveromyœs marxianus cô định trong gel alginate và nắm men tự do được khảo sát trong điều kiện môi trường lên men có nồng độ HMF thay đổi (1, 2, 3, 4 và 5g/L). Nam men cố định và nam men tự do được tái sử dụng ở nông độ HMF 2g/L Khi tăng nồng độ HMF từ 0 lên 5g/L, tốc độ sinh trưởng của nấm men cố định và nắm men tự do giam lần lượt là 1.59 lần, mật độ tế bào cực đại của nắm men cố định và nắm men tự do giảm lần lượt là 2.29 lần; nằm men có định có thé lên men cạn kiệt đường trong khi đó nấm men tự do chỉ có thé sử dụng cạn đường khi HMF tăng từ 0 lên Ig/L.

Trong các nghiệm thức được khảo sát, ndm men cố định đều thể hiện kha năng sinh trưởng, sử dụng cơ chất và sinh tong hop ethanol cao hơn so voi nắm men tự do. Qua trình cố định K/uyveromyces marxianus trong gel alginate làm giảm độ bất bão hòa chất béo của mang tế bào và thay đổi này có thé giúp tế bào nam men cố định đáp ứng tốt hơn với chất ức chế HMF so với nắm men tự do. Nắm men cố định tái sử dụng và duy trì hoạt tính lên men ồn định qua 30 chu kì lên men, nam men tự do không tái sử dụng do thời gian lên men dai. il ABSTRACT In this study, the fermentation of immobilized K/uyveromyces marxianus in calcium alginate gel and free cell was investigated under different HMF concentration of 1, 2, 3, 4 and 5g/L.

The immobilized and free cells were also used for repeated batch fermentation at 2 g/L HMF. When increasing the HMF concentration from 0 to 5 g/L, the growth rate of the immobilized cell and free cell decreased was 1.59 times, the maximum cell density decreased was 2.29 times; the residual sugar level in the culture outlet of immobilized cell was approximately 5 g/L, while the residual sugar level in the culture outlet of free cell only was approximately 5g/L from 0 to Ig/L HMF. At all investigated conditions, immobilized cell always demonstrated faster growth rate, glucose uptake rate and ethanol formation rate than free cell. The immobilized process of Kluyveromyces marxianus in calcium alginate gel decrease the unsaturation degree of fatty acids in cellular membrane of Kluyveromyces marxianus cell and that improved adaption of the yeast to environmental stress than free cell.

In the repeated batch ethanol fermentation, the immobilized cells was used and maintained stable fermentation activity over 30 fermentation cycles. lil LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cảm đoan đây là nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ nguồn nao và dưới bất cứ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và phi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định.

Tác giả luận văn Nguyễn Hồng Phương Thảo iv 0. vii DANH MỤC HÌNH. HH ườn viii 0:(090160089//002. j CHƯƠNG 2: TONG QUANievccsecsessessessessecsessesssssessecressessessssussussussussussssussussussursaessesressessveaeesees 3 2.

Nắm men Klyveromyces MAPXICNUS .eccecceccessessessessessessessecscsvssusssesusssesessstesteressessesseeseeaee 3 VNNt ng: anhẶd. Kha năng chịu ức chế của nắm men Kluyveromyces HAF. Khả năng ung dụng cua Kluyveromyces marxianus trong lên men ethanol. ChGt tec ChE HMP ờỚÿỹÿỹÿỹNNếG.

Su hinh thatnh HMP Voice ccccccccccssccccceccessscccccessstseccesssstsccccesssstscecccestaceccessettasceeseees ổ 2. Sự ức chế của HMF đối với tế DAO NGM MEN vevecccccscsccscscsvesescscssssesestsveressssevsresessens ổ 2. Kha năng chuyên hóa HMF nắm men Kluyveromyces IHAFXỈAWM3. Kha năng lên men của nắm men cô định trong môi trường có các chất ức chế.4, Diém M65 CU AE ổn na.

NGUYEN LIEU VA PHƯƠNG PHAP NGHIÊN CỮỬU. Chất mang Algindte ciccecccccccccccsccssceccessecsecsecsecsessessessessessessucsussessessussssussussuvsaeseseesen 13 BDA, 0i. Mục đích và nội dung HnghiÊH CUU. Ouy trình có định nắm men trong gel AIZiNAtC.

Nội dung thí HghiỆHM. SG c TS n SE SH TH TH TH Hy gu 16 3. Phương pháp PRGn tach cocccccccccccccccccccccccccsccssccsscessccsecesecsssessecescessecssesesecssseseseseenses 18 3.5, Công thc tinh OG. Phương pháp xử li số li@teeceeccecccccsccsssessessessessessessecsessesssscsssessussussussussussuseeeeseeseee 20 CHUONG 4.

KET QUA VÀ BAN LUANicsccccsssessesssessessssssessessessssssssscssesseceusescsussussresseceveeeen 22 4. Ảnh hưởng của nông độ HME lên sự sinh trưởng va kha năng lên men của nam men Klyveromyces marxianus cô định trong gel qÌgifdf€.1 Anh hưởng của nông độ HMF đến quá trình sinh trưởng của nam men cô 27/10/2817: 5707777.2 Anh hưởng của nông độ HMF đến quá trình sử dụng cơ chất của ndm men cô định trong gel alginate và tt dO ceccceccccccccsssessessessessessessessessessssessrsssessessessveseeateseereeseen 26 4. Anh hướng của nông độ HMF đến quá trình sinh tong hop ethanol của nắm men có định VEU AO cececcccccsccscsescssssesesseserssesssvsreseaesesssavesesesvavssesessaveresesveverestavereseavaveveseees 30 4. Anh hưởng cua nông độ HMF đến thành phan lipit trên màng tế bào.

Tái sử dụng nấm men Kluyveromyces maxianus cô định trong gel alginate trong //101R77⁄9//15862/8g0//0IPRRERRERERSERE-a.1 Khả năng sử dụng cơ chất của nắm men cô định trong quá trình tải sử dụn37 4.2 Khả năng sinh tông hop sản phẩm của nắm men có định trong quá trình tai 8/1/1008. KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ. KẾT MUG eccecccccccessesssesssessesssessssssessuessussressuessvsssessnessessuessnsssesssessessuesstessesssessnessesasesseesseeasen 4] 5. Kiến Whicecccccescscsessessessessessessessucsucsucsussussussassusssessessessessssussuesucsussussussacsuesucsussussussassaseaveeve 4] TÀI LIEU THAM KHAO wesccscssscsesssssssssssssssessesssesssessseessessssssseessuessessuscssessssessiessessseessseatessseeases 43 7;/0005/000n0Ẽ0178e8.

32 Mới DANH MỤC BANG Bảng 2. 1: Một số yếu tố ức chế sự sinh trưởng và sinh tổng hop ethanol của nắm men KI] UyVerOMYyCeS MALXIANUS 00005757. 2: Một số nghiên cứu về sử dung nắm men Kluyveromyces marxianus tao ethanol từ phụ phẩm ngành công nghiỆp.- -- -- EE£E*E*+E*+E+ESEEEEEEEEEEEEEEEvEkerkerkerkerkee 7 Bang 3. 1: Thành phan của các môi trường sử dụng trong quá trình nghiên cứu.

1: Ảnh hưởng của HMF đến quá trình sinh trưởng của nắm men cố định trong gel alginate và nắm men tỰ dO.2: Ảnh hưởng của HMF đến lượng đường sót và độ lên men của nắm men cố định trong gel alginate và nâm men tự do ở thời điểm 96 giờ. - 2-2 se eerereeei 28 Bảng 4.3: Ảnh hưởng của HMF đến thời gian kết thúc lên men và tốc độ sử dụng đường của nắm men cố định trong gel alginate và nắm men tự đo. 4: Ảnh hưởng của HME đến nồng độ ethanol cuối và tốc độ sinh tổng hợp ethanol của nắm men cố định trong gel alginate và nắm men tự đo. 5 : Ảnh hưởng của HMF đến hiệu suất sinh tổng hop ethanol của nấm men có định trong gel alginate và nâm men tự dO.-- -- 2 + EEEEEEEEEE£EEEEEEEEEEkEEeEereereerkrrs 33 Bảng 4.

6: Thời gian lên men trong quá trình tái sử dụng nắm men cố định. 7: Hàm lượng ethanol cuối trong canh trường với nam men cố định và nấm men tự do trong quá trình tái SỬ Ụng. 8: Hiệu suất sinh tổng hop ethanol của nắm men cô định và nắm men tự do.40 Vil DANH MỤC HINH Hình 2. 1: Mối quan hệ của Kluyveromyces marxianus với mốt số loại nắm men khác 0.2 : Sự hình thành các chất ức chế trong quá trình tiền xử lí nguyên liệulignocellulose EU -ui00v0 200020620107.

3: Con đường chuyén đổi furfural và HMF. Biểu đồ cho thay furfural chuyển đổi thành rượu furfuryl và HMF chuyển hóa thành FDM trên nắm men S. 1 : Quy trình cố định nắm men trong gel aÏ gïna(e. 1:Anh hưởng của HMF đến mật độ tế bao của nắm men có định (- - À- - ) và nắm men tự do (—m—) trong quá trình lên men ethanol.

2: Ảnh hưởng của HMF đến quá trình sử dụng cơ chất của nắm men cố định (- - À - - ) và nắm men tự do (—m—) trong quá trình lên men ethanol. 3: Ảnh hưởng của HMF đến quá trình sinh tổng hop ethanol của nắm men cố định (- - A- - ) và nắm men tự do (—m—) trong quá trình lên men ethanol.