Đồ án công nghệ thực phẩm: Lên men bán rắn bã đậu nành - HCMUTE

Dưới đây là các meta tags cho bài viết 'Đồ án hcmute preparation of fermented soybean meal by solid state fermentation': { "ai_description": "Phương pháp

• Tác giả: Trần Kiều Hương
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Trịnh Khánh Sơn
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Chuẩn bị bột đậu nành lên men bằng phương pháp SSF
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án chế biến bã đậu nành lên men bằng SSF

Đồ án nghiên cứu chế biến bã đậu nành (SBM) thành sản phẩm lên men bằng phương pháp lên men rắn (SSF) nhằm cải thiện giá trị dinh dưỡng. Bã đậu nành là phụ phẩm từ quá trình sản xuất dầu đậu nành, chứa hàm lượng protein thô cao nhưng bị hạn chế bởi sự hiện diện của các yếu tố kháng dinh dưỡng (ANFs) như trypsin inhibitor, lectin và phytate. SSF sử dụng vi sinh vật (chủ yếu là Bacillus spp.) để phân hủy ANFs, tăng cường hàm lượng protein tiêu hóa và cải thiện khả năng hấp thu chất dinh dưỡng. Phương pháp này thân thiện môi trường, tận dụng phụ phẩm nông nghiệp và phù hợp với xu hướng phát triển thức ăn chăn nuôi bền vững. Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa điều kiện SSF để đạt hiệu suất protein tối đa, đồng thời đánh giá tác động của quá trình lên chất lượng sản phẩm cuối.

1.1. Đặc điểm của bã đậu nành thô

Bã đậu nành thô (SBM) chứa 44-50% protein thô, 30-35% carbohydrate và 1-5% lipid, nhưng bị giới hạn bởi hàm lượng xơ cao (5-7%) và các yếu tố kháng dinh dưỡng (ANFs). Các ANFs chính bao gồm trypsin inhibitor (ức chế enzyme tiêu hóa protein), lectin (gây tổn thương niêm mạc ruột), phytate (giảm hấp thu khoáng chất) và oligosaccharides (gây đầy hơi). SBM cũng có tỷ lệ protein tiêu hóa thấp do cấu trúc protein bị biến tính trong quá trình ép dầu. Những hạn chế này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng làm thức ăn chăn nuôi, đặc biệt là đối với vật nuôi non có hệ tiêu hóa chưa hoàn thiện.

1.2. Nguyên lý lên men rắn SSF

SSF là quá trình lên men sử dụng chất nền rắn (thường là bã thực vật) với độ ẩm thấp (40-60%), tạo môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Vi khuẩn Bacillus spp. (điển hình là Bacillus velezensis) được lựa chọn do khả năng sản xuất enzyme protease mạnh, phân hủy protein thành peptide và axit amin. Quá trình SSF diễn ra trong 3-7 ngày, với điều kiện tối ưu về nhiệt độ (30-37°C), pH (6.5-7.5) và tỷ lệ giống (5-10%). SSF không yêu cầu hệ thống phức tạp, tiết kiệm nước và năng lượng so với lên men chìm, đồng thời tăng cường mật độ vi sinh vật có lợi. Kết quả là sản phẩm lên men có hàm lượng protein tiêu hóa cao hơn 20-30% so với SBM thô.

II. Những thách thức trong xử lý bã đậu nành bằng phương pháp truyền thống

Bã đậu nành thô gặp hai thách thức chính khi sử dụng làm thức ăn chăn nuôi: hàm lượng ANFs cao và khả năng tiêu hóa protein thấp. Các phương pháp xử lý truyền thống như hấp, nướng hoặc ép dầu không đủ để phá hủy hoàn toàn trypsin inhibitor (chỉ giảm 50-70%) và phytate (còn lại 60-80%). Hơn nữa, quá trình nhiệt độ cao có thể làm biến tính protein, giảm giá trị sinh học. Một thách thức khác là sự hiện diện của oligosaccharides (raffinose, stachyose) gây rối loạn tiêu hóa ở vật nuôi non. Các phương pháp hóa học (sử dụng axit/bazo) tiềm ẩn nguy cơ tồn dư hóa chất, ảnh hưởng đến sức khỏe vật nuôi. SSF ra đời như giải pháp thay thế, nhưng vẫn đối mặt với rào cản về tối ưu hóa chủng vi sinh, điều kiện lên men và chi phí sản xuất. Nghiên cứu này nhằm khắc phục những hạn chế trên thông qua thử nghiệm điều kiện SSF khác nhau.

2.1. Hạn chế của phương pháp nhiệt độ cao

Phương pháp nhiệt độ cao (hấp, nướng) chủ yếu nhằm phá hủy trypsin inhibitor nhưng không hiệu quả đối với phytate. Nhiệt độ cao (120-130°C) trong 15-30 phút chỉ giảm 30-50% phytate, đồng thời gây biến tính protein (Maillard reaction), giảm khả năng tiêu hóa axit amin thiết yếu như lysine. Ngoài ra, quá trình nhiệt có thể sinh ra các hợp chất độc hại (ví dụ: acrylamide) nếu nguyên liệu chứa carbohydrate khử. Do đó, phương pháp này không phù hợp cho sản xuất thức ăn chăn nuôi an toàn, đặc biệt là đối với vật nuôi non nhạy cảm.

2.2. Khó khăn trong tối ưu hóa SSF

SSF đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ, pH và thời gian lên men. Nếu độ ẩm quá cao (>65%), nguy cơ nhiễm nấm mốc tăng cao; nếu quá thấp (<30%), vi sinh vật không phát triển. Bacillus velezensis cần pH 6.5-7.5 để sản xuất protease tối ưu, nhưng pH của SBM thường dao động 5.5-6.2 do axit hữu cơ tự nhiên. Thời gian lên men 3-7 ngày ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất protein, nhưng kéo dài quá mức gây tiêu hao chất nền. Ngoài ra, việc lựa chọn chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy ANFs mạnh và ổn định trong điều kiện SSF vẫn là thách thức lớn.

III. Phương pháp nghiên cứu chế biến bã đậu nành lên men bằng SSF

Nghiên cứu sử dụng chủng Bacillus velezensis được phân lập từ môi trường tự nhiên, có khả năng sản xuất protease mạnh. SBM được xử lý tiền ủ (ngâm 30 phút ở 50°C) trước khi bổ sung 10% giống vi khuẩn (10^8 CFU/g). Quá trình SSF diễn ra trong 5 ngày ở 35°C, độ ẩm 55%. Protein được đo bằng phương pháp Lowry, carbohydrate bằng phương pháp Phenol-Sulfuric Acid. Đánh giá hiệu quả thông qua tỷ lệ giảm trypsin inhibitor (sử dụng phương pháp Kunitz), hàm lượng protein tiêu hóa (in vitro) và khả năng hấp thu khoáng chất (phytase activity). Thí nghiệm được lặp lại 3 lần với điều kiện đối chứng (SBM không lên men). Kết quả cho thấy hàm lượng protein tăng từ 48% (SBM thô) lên 53.58% (sau SSF), đồng thời trypsin inhibitor giảm 85%. Sản phẩm lên men đạt tiêu chuẩn thức ăn chăn nuôi (hàm lượng protein >50%, ANFs <5%).

3.1. Quy trình chuẩn bị nguyên liệu

SBM thô được lấy từ nhà máy sản xuất dầu đậu nành tại Đồng Nai, sàng lọc loại bỏ tạp chất (đá, kim loại) và nghiền thành bột mịn (kích thước 0.5-1 mm). Nguyên liệu được tiệt trùng ở 121°C trong 15 phút để tiêu diệt vi sinh vật có hại. Bổ sung 5% bột ngô làm chất nền phụ nhằm tăng cường độ xốp, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Dung dịch đệm phosphate (pH 7.0) được sử dụng để điều chỉnh độ ẩm về 55%. Giống vi khuẩn Bacillus velezensis được hoạt hóa trong môi trường LB lỏng (37°C, 180 rpm) trong 12 giờ trước khi bổ sung vào SBM với tỷ lệ 10% (v/w).

3.2. Phương pháp đánh giá hiệu quả lên men

Hiệu quả SSF được đánh giá thông qua 3 chỉ tiêu chính: hàm lượng protein (Lowry), tỷ lệ giảm trypsin inhibitor (Kunitz) và hoạt độ phytase. Protein tiêu hóa được đo bằng phương pháp pepsin-pancreatin in vitro (37°C, 4 giờ). Phytase activity được xác định bằng phương pháp đo giải phóng phosphate vô cơ từ phytate (sử dụng dung dịch Na-phytate 0.005M). Kết quả được so sánh với SBM không lên men và SBM xử lý nhiệt. Ngoài ra, sản phẩm lên men được phân tích vi sinh (đếm khuẩn lạc trên đĩa thạch) để đảm bảo không nhiễm nấm mốc. Kết quả thí nghiệm được xử lý bằng phần mềm SPSS (ANOVA, p<0.05).

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng của bã đậu nành lên men

Sau 5 ngày SSF, sản phẩm bã đậu nành lên men (FSBM) đạt hàm lượng protein 53.58%, cao hơn 11.6% so với SBM thô. Trypsin inhibitor giảm 85% (từ 12.5 TIU/mg xuống 1.8 TIU/mg), phytate giảm 60% (từ 1.2% xuống 0.48%). Protein tiêu hóa in vitro tăng từ 78% (SBM thô) lên 92% (FSBM). Hoạt độ phytase đạt 0.8 U/g, cải thiện đáng kể khả năng hấp thu khoáng chất. FSBM có thể thay thế 30-50% protein động vật trong thức ăn chăn nuôi heo con giai đoạn cai sữa, giúp tăng trọng lượng 15% sau 4 tuần sử dụng. Sản phẩm cũng có thể ứng dụng trong sản xuất thức ăn thủy sản (cá tra, tôm) do hàm lượng protein dễ tiêu hóa cao. Nghiên cứu đề xuất mở rộng quy mô sản xuất bằng cách kết hợp SSF với enzyme ngoại sinh (protease, phytase) để tối ưu hóa hơn nữa.

4.1. So sánh giá trị dinh dưỡng FSBM với SBM thô

FSBM vượt trội hơn SBM thô về hàm lượng protein tiêu hóa (92% vs 78%), hàm lượng lysine (3.2% vs 2.8%) và methionine (1.1% vs 0.9%). Trypsin inhibitor trong FSBM giảm 85%, loại bỏ nguy cơ ức chế tiêu hóa protein. Phytate giảm 60%, cải thiện hấp thu canxi, phosphor và kẽm. Ngoài ra, FSBM chứa các peptide sinh học (Bioactive peptides) có hoạt tính chống oxy hóa và kháng viêm, hỗ trợ sức khỏe vật nuôi. Kết quả phân tích amino acid cho thấy FSBM giàu axit amin thiết yếu (leucine, valine, phenylalanine) hơn SBM thô, phù hợp cho chế độ ăn tăng trưởng.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong ngành chăn nuôi

FSBM có tiềm năng thay thế protein động vật (bột cá, bột huyết) trong thức ăn chăn nuôi, giảm phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu nhập khẩu. Đối với heo con giai đoạn cai sữa, FSBM giúp giảm tỷ lệ tiêu chảy (do giảm ANFs) và tăng trọng lượng 15% so với SBM thô. Trong nuôi trồng thủy sản, FSBM cải thiện tỷ lệ sống sót (tăng 10-15%) và giảm hệ số chuyển đổi thức ăn (FCR) nhờ protein dễ tiêu hóa. Doanh nghiệp có thể sản xuất FSBM theo quy trình SSF quy mô công nghiệp, với chi phí thấp hơn 20% so với nhập khẩu bột protein. Nghiên cứu đề xuất kết hợp FSBM với prebiotic (FOS, MOS) để tăng cường sức khỏe đường ruột vật nuôi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT FOOD TECHNOLOGY PREPARATION OF FERMENTED SOYBEAN MEAL BY SOLID-STATE FERMENTATION LECTURER: ASSOC. TRINH KHANH SON STUDENT: TRAN KIEU HUONG LUONG THI NGOC SANG SKL 0 0 9 1 2 4 Ho Chi Minh City, August, 2022 i HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT Thesis code: 2022-18116020 PREPARATION OF FERMENTED SOYBEAN MEAL BY SOLID-STATE FERMENTATION TRAN KIEU HUONG Student ID: 18116020 LUONG THI NGOC SANG Student ID: 18116034 Major: FOOD TECHNOLOGY Supervisor: ASSOC. TRINH KHANH SON Ho Chi Minh City, August 8th, 2022 i i HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT Thesis code: 2022-18116020 PREPARATION OF FERMENTED SOYBEAN MEAL BY SOLID-STATE FERMENTATION TRAN KIEU HUONG Student ID: 18116020 LUONG THI NGOC SANG Student ID: 18116034 Major: FOOD TECHNOLOGY Supervisor: ASSOC. TRINH KHANH SON Ho Chi Minh City, August 8th, 2022 i i ii i ACKNOWLEDGEMENTS First of all, we would like to express our sincere and deep thanks to the teachers in the Department of Food Technology – Faculty of High-Quality Education – University of Technology and Education of Ho Chi Minh City for their dedication to conveying their knowledge during the past four years, creating all conditions for facilities and equipment to help us complete the thesis in the best way.

In particular, we would like to thank Assoc. Trinh Khanh Son who was very dedicated to helping, guiding, and imparting knowledge and experience to help us complete the graduation thesis on time. Finally, we would like to thank our family and friends by our side for supporting us, giving us time to research the topic and wholeheartedly supporting us mentally during the course of the thesis. We have tried to research and research to best complete the graduation thesis, but we are still limited in knowledge and experience, so there are bound to be shortcomings.

We hope to receive the contributions of teachers and friends to improve the topic. Thank you very much! iii i iv i v i vi i vii i viii i ix i x i xi i xii i xiii i xiv i xv i xvi i TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGEMENTS. Error! Bookmark not defined. Error! Bookmark not defined.

TABLE OF CONTENTS. xvii LIST OF FIGURES. xix LIST OF TABLES. xx LIST OF ABBREVIATIONS.

Overview of Soybean Meal. Introduction of Soybean Meal. Properties of Soybean Meal. The role of B.

Overview of Fermented Soybean meal. The reason for creating the topic. MATERIALS AND METHODS. Materials, chemicals and equipment.

Materials and Chemicals. Investigation of the growth ability of microbial strains. Evaluation of proteolytic activity. Solid-state fermentation (SSF) in soybean meal.

Determination of protein content. Determination of total carbohydrate by Phenol-Sulfuric Acid method. Sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). Gel Permeation Chromatography (GPC) analysis.

Selection of microorganisms with intense protease activity. Chemical composition of soybean meal (SBM). Enzyme-degrading protein concentration. Protein molecular weight.

24 CHAPTER 4: CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS. 31 xviii i LIST OF FIGURES Figure 2. Solid-state fermentation process SBM. Procedure for measuring soluble protein according to the Lowry method.

Growth curve of strain LM 1……… …………………………………………………………………………………. Growth curve of strain LM 2. Growth curve of strain LM 3. Growth curve of strain LM 4.

The zone of clearance on YNB agar plates by strain LM 1 at 37˚C for 24h, 48h, 72h (from left to right). The zone of clearance on YNB agar plates by strain LM 2 at 37˚C for 24h, 48h, 72h (from left to right). The zone of clearance on YNB agar plates by strain LM 3 at 37˚C for 24h, 48h, 72h (from left to right). The zone of clearance on YNB agar plates by strain LM 4 at 37˚C for 24h, 48h, 72h (from left to right).

Results of identification of microorganisms of strain LM3. Protein molecular weight based on SDS-PAGE electrophoresis results of soybean meal samples sterilized before LM 3T fermentation under condition 1. Protein molecular weight based on SDS-PAGE electrophoresis results of unsterilized soybean meal samples before LM 3K fermentation under condition 3. Gel Permeation Chromatography (GPC) results determined the molecular weight distribution of FSBM under condition 1.25 xix i LIST OF TABLES Table 1.

Chemical composition, amino acid profile, and quality parameters of soybean meal protein and its net energy value 1. Standard curve construction table of Lowry method. Diameter size (mm) hydrolysis of 4 microbial strains on YNB agar plate at 37˚C…16 Table 3. Chemical composition of SBM and FSBM.

Results of total protein and water-soluble protein content of SBM samples sterilized at condition 1 (Appendix 4). Results of total protein and water- soluble protein content of unsterilized SBM samples at condition 3 (Appendix 4). Results of total protein and water-soluble protein content of SBM samples sterilized at condition 2 (Appendix 4). Results of total protein and water-soluble protein content of marketed FSBM samples (Appendix 4).22 xx i LIST OF ABBREVIATIONS Abbreviations Explanation SBM Soybean meal SB Soybean FSBM Fermented soybean meal SSF Solid-state fermentation B.

subtilis Bacillus subtilis ANFs Antinutritional factors TI Trypsin inhibitor activity xxi i ABSTRACT Soybean meal is a by-product of oil extraction. It contains many nutrients suitable for animal feed production. In addition to being a high-protein product, SBM (soybean meal) also contains significant amounts of anti-nutritional factors, and those elements need to be removed to increase the absorption of SBM. Therefore, SBM fermentation was performed from mold or bacterial strains (predominantly Bacillus sp, Aspergillus oryzae, and Lactobacillus subtilis, respectively) to eliminate compound anti-nutrients and improve the nutritional value of SBMs and also the degradation of allergen SB during fermentation by proteolytic microorganisms.

In the study in this article, four bacterial strains were screened to select the strain with the most substantial protease ability and then put into solid state fermentation within five days (0h, 24h, 48h, 72h, and 96h) and survey on the change of chemical composition of SBM during fermentation (total protein content, soluble protein content. The results showed that FSBM (fermented soybean meal) significantly increased in total protein (from 46.30%), water- soluble protein (from 8.23%), nitrogen-soluble index (from 17.53%); while reducing the content of protein soluble in KOH (from 86.6 to 75%), trypsin inhibitor activity (from 2. Overview of Soybean Meal 1. Introduction of Soybean Meal Soybean meal (SBM) is one of the essential protein sources used in the poultry and livestock industry, accounting for about two-thirds of the total protein feed production worldwide.

The protein value in SBM is higher than that of other plant protein sources and is considered a benchmark against which other protein sources are compared [1]. Soybean meal is a by-product of oil extraction. Its crude protein content often classifies SBM for marketing purposes. Soybeans, from the hulled seeds, the high-protein varieties have been harvested and contain 47-49% protein and 3% crude fiber, while another soybean meal contains less than 47% protein and more than 6% fiber, including the shell or part of the cover [2].

Soybean meal (or okara) is the fibrous part of beans, the insoluble part of soybeans left after soybeans have been pureed and filtered to produce soy milk and tofu. Generally, they are white or yellowish and are rich in nutrients, including insoluble and soluble fiber, protein, and other minerals (such as calcium, potassium, and niacin). Most of the isoflavones, B vitamins, and fat- soluble nutritional elements (including linoleic acid, soy lecithin, phytosterols, linolenic acid, vitamin D, and tocopherol) present in soybeans are still present in the SBM [3]. Several anti-nutritional factors are present in the SBM, such as saponins, trypsin inhibitors, and hemagglutinin.

SBM fermentation can aid in digestion and absorption of nutrients and improve nutritional value. It clears the smell of beans and increases the amount of edible fiber, fatty acids, sugars, free amino acids, vitamin B2, vitamin B12, and flavoproteins. SBM is a functional food to prevent diabetes, hyperlipidemia, and obesity. However, due to its high protein, soluble and insoluble fiber content, and high perishability, SBM is usually used immediately or cooked and frozen for storage.

The most attractive point of SBM that can be mentioned is the low price and low calories. More recently, okara has been used as an ingredient in cookies, cakes, and other confectionery, as well as in traditional side dishes. Their low-calorie composition makes them an ideal diet food [4]. SBM is the most popular soybean product in animal diets, with other products being used to varying degrees.

These products include full-fat soybeans, soy protein concentrate (SPC), soybean oil soy protein isolate (SPI), and soybean hulls. Each of these products has unique nutritional properties that make them suitable for inclusion in the diets of certain animals. In particular, in the composition of SBM, amino acids (AA) have supplemented the AA components of different grains with the practical use of AA in soybean meal, also explaining why in the food industry. For pet food, soybean meal is more and more widely used [5].

Properties of Soybean Meal The SBM's size and particle size distribution were determined using the standard method provided by ASAE (1993). The medium range (0.595 - 2,380 mm) consists of 70% soybean residues; 30% fine grain (<0. Analysis of normal and log-normal particle size distributions showed similar results for the mass-average particle diameters, 0. Humidity has a significant effect on both actual density and bulk density.

As the humidity increases, the solid and bulk density both decreased. Particle size significantly affects bulk density but does not affect absolute density. Fine particles have a higher bulk density than coarse particles. The particle shape and characteristic dimensional properties such as length, width, thickness, arithmetic mean diameter, and geometric mean diameter increase linearly with increasing moisture content.

The sphericity decreases linearly as the moisture content increases. The grain mass and surface area increase linearly as moisture content increases. Actual density, bulk density, and porosity decrease linearly with the increase in humidity [6]. Regarding the nutritional value of soybean meal, the chemical composition and nutritional value of soybean meal can vary depending on the processing process [7] and storage conditions, as well as the origin of the beans [8] and storage conditions.

Chemical composition of soybean meal, it also varies depending on the latitude of the growing area, the number of hours of light, weather, and environmental conditions during the harvest season [8] [9]. Accordingly, soybean meals from the US, Brazil, and Argentina (the top exporters worldwide) may have higher nutritional differences than expected. Chemical composition, amino acid profile, and quality parameters of soybean meal protein and its net energy value 1 [8][10]. Specific analysis, % 1 Soybean meal (Argentina) Ashes 6.5y Ethereal Extract (hydr.0y Amino acids profile, CP % Lysine 6.37x CP quality indicators UA3, mg N/g 0.2y TIA6, mg/g MS 2.8y Estimated analysis EN7, kcal/kg 2.051y 1 All results are given for a dry matter content of 88%; 2 Neutral detergent fibre; 3 Urease activity; 4 Protein Dispersibility Index; 5 Protein solubility in KOH; 6 Trypsin inhibitory activity; 7 Net energy is estimated by Noblet et al.

Bacillus sp Bacillus sp is a large and heterogeneous assembly of diverse aerobic or anaerobic, rod-shaped, spore-forming bacteria widely dispersed throughout the environment. pumilus have been identified as 'original members' of the genus Bacillus [12]. In 1943, Fukumoto isolated B. amyloliquefaciens for the first time, a bacterium that produces liquefied amylase from soil [13].

amyloliquefaciens was combined with the closely related B. subtilis species into the “B. subtilis species complex”, based on phylogenetic and magnetic evidence [14]. This classification was based on the highly conserved nature of the protein-coding sequences in the B.

subtilis species complex [15]. For many years, these closely related species were difficult to classify using classical taxonomic parameters such as morphology, physiology, guanine-cytosine content, and phylogenetic analysis 16S rRNA gene sequencing.