Đặt vấn đề Nấm men là một nhóm vi sinh vật đơn bào được con người sử dụng từ hàng nghìn năm nay để sản xuất đồ uống có cồn (rượu, bia,…), bánh mì và nhiều ứng dụng khác. Nấm men sinh sôi nhanh, tế bào có chứa hàm lượng protein cao, nhiều vitamin, và các acid amin không thay thế… Trong công nghệ sản xuất bia, nấm men sau mỗi mẻ lên men sẽ tăng lên về sinh khối một cách đáng kể, người ta chỉ thu hồi và sử dụng một phần men để tiếp cho mẻ sau, phần còn lại thường ở dạng lỏng hoặc sệt sẽ được thải ra ngoài môi trường. Lượng nấm men thải ra ngoài môi trường này có chứa một lượng lớn tế bào nấm men, khi phân hủy sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Việc thu hồi và tận dụng lượng nấm men này không những có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế mà còn giải quyết được vấn đề môi trường, một vấn đề mang tính chất bền vững.
Hiện nay, nấm men bia thường được sử dụng để sản xuất bột chiết nấm men, dịch chiết nấm men, hoặc làm thức ăn gia súc…Sản xuất chế phẩm invertase từ men bia là một hướng nghiên cứu mới tại Việt Nam [5]. Nấm men bia thuộc loài Saccharomyces carlsbergensis có hoạt tính enzyme invertase. Enzyme này thường tập trung chủ yếu trong lớp không gian chu chất của tế bào nấm men, khoảng không gian giữa thành tế bào và màng nguyên sinh chất [22]. Nấm men thu được sau quá trình lên men bia có đặc điểm là rất dễ bị tự phân.
Lúc này vách tế bào không còn khả năng tự bảo vệ và sẽ bị phá hủy bởi chính các enzyme trong tế bào. Chúng xúc tác phản ứng phân giải các chất có trong thành tế bào nấm men và giải phóng enzyme invertase ra ngoài tế bào.26) thường được sử dụng để thủy phân đường sucrose tạo thành hỗn hợp đường glucose và fructose [18] (đường nghịch đảo). Dung dịch đường nghịch đảo có độ ngọt cao hơn và ít bị hiện n 2 tượng kết tinh đường hơn so với đường sucrose nên được sử dụng trong công nghệ sản xuất kẹo, nước giải khát… Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và tìm ra các điều kiện tối ưu cho quá trình thu nhận chế phẩm invertase từ nấm men bia có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Vì vậy tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu nhận chế phẩm invertase từ nấm men bia”.
Mục đích và yêu cầu 1. Mục đích Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu nhận chế phẩm invertase từ nấm men bia. Yêu cầu - Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nấm men và dung môi trong quá trình tự phân nấm men bia. - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tự phân nấm men bia.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của pH ban đầu của mẫu nấm men trong quá trình tự phân nấm men bia. - Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tự phân nấm men bia. - Tối ưu hóa điều kiện tự phân nấm men bia để thu nhận chế phẩm invertase 1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1.
Ý nghĩa khoa học Thực hiện đề tài giúp sinh viên bổ sung kiến thức thực tiễn quan trọng cho lý thuyết đã học, có thêm kinh nghiệm và tiếp cận với công tác nghiên cứu khoa học để phục vụ cho nghiên cứu và công tác sau này. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả thu được của đề tài là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo để có thể tối ưu hóa các điều kiện thu nhận chế phẩm invertase từ nấm men bia cũng như các chủng nấm men khác. Từ đó xây dựng quy trình công nghệ với hiệu suất thu hồi enzyme hiệu quả nhất. n 3 PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.
Khái quát về enzyme 2. Khái niệm Enzyme là chất xúc tác sinh học, có bản chất protein, hòa tan trong nước và trong dung dịch muối loãng. Enzyme có phân tử lượng lớn từ 20.000 dalton nên không qua được màng bán thấm. [8] Enzyme có nhiều tính chất ưu việt hơn hẳn các chất xúc tác hóa học.
Enzyme có cường lực xúc tác rất lớn: ở điều kiện thích hợp hầu hết các phản ứng có xúc tác enzyme xảy ra với vận tốc nhanh gấp 108 - 1011 lần so với phản ứng không có chất xúc tác. Enzyme có tính đặc hiệu cao: mỗi enzyme chỉ xúc tác làm chuyển hóa được một hoặc một số cơ chất nhất định theo một kiểu phản ứng nhất định. Sự tác dụng có tính chất lựa chọn này gọi là tính đặc hiệu của enzyme. Enzyme có tính đặc hiệu cao nên không tạo ra những sản phẩm phụ.
Enzyme tác dụng trong điều kiện “êm dịu”. Enzyme thường tác dụng thích hợp ở nhiệt độ 30 - 50oC, pH trung tính và ở áp suất thường, không cần nồng độ acid hay nồng độ kiềm mạnh, áp suất cao, do đó không đòi hỏi các thiết bị chịu acid, kiềm và chịu áp suất cao đắt tiền. Tất cả các enzyme có nguồn gốc tự nhiên đều không độc. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ thực phẩm và y học.
Các chế phẩm enzyme được sản xuất từ nguồn nguyên liệu dễ kiếm, rẻ tiền. Các đơn vị hoạt độ enzyme Đơn vị hoạt độ của một enzyme được coi là lượng enzyme có khả năng xúc tác làm chuyển hóa được một lượng cơ chất nhất định trong một đơn vị thời gian nhất định ở điều kiện tiêu chuẩn. [8] n 4 Theo quy ước quốc tế có một số đơn vị hoạt độ sau: Đơn vị IU (đơn vị quốc tế) Là lượng enzyme có khả năng xúc tác chuyển hóa một micromol cơ chất sau thời gian một phút ở điều kiện tiêu chuẩn. 1 IU = 1µM cơ chất (10-6 M/phút) Đơn vị katal(kat) Là lượng enzyme có khả năng xúc tác chuyển hóa một mol cơ chất sau thời gian một giây ở điều kiện tiêu chuẩn.
1 kat = 1 Mol cơ chất /giây Hoạt độ riêng Hoạt độ riêng của một chế phẩm enzyme được biểu diễn bằng số đơn vị hoạt độ enzyme trên đơn vị khối lượng protein. Hoạt độ tâm xúc tác Là số phân tử cơ chất bị chuyển hóa bởi một trung tâm hoạt động sau một phút. Khu trú của enzyme Dựa vào vị trí khu trú của enzyme trong tế bào, người ta chia làm ba nhóm chính [8]: Enzyme ngoại bào: enzyme được sinh tổng hợp ra ở trong tế bào rồi sau đó mới được tiết ra ngoài môi trường trong quá trình nuôi cấy chìm. Đó là trường hợp các enzyme hydrolase.
n 5 Enzyme nội bào: enzyme được tổng hợp và sử dụng ở bên trong tế bào Các enzyme periplasmic (là những enzyme nằm ở xoang ngoài màng sinh chất nhưng trong màng tế bào). Cấu tạo mặt cắt của vi khuẩn gram âm và gram dương có chứa periplasmic 2. Nguồn nguyên liệu thu enzyme Enzyme là những chất không thể điều chế được bằng phương pháp tổng hợp hóa học, mà người ta thường thu nhận chúng từ nguồn tế bào động vật, thực vật hoặc vi sinh vật [8]. Enzyme động vật Một số mô động vật chứa nhiều enzyme: tụy tạng (amylase, maltase, lipase, cholesterol esterase, pectinase, nuclease, trypsin,…), dạ dày (pepsin A, B,…), ruột (kinase, lactase, maltase, nuclease, phosphatse…), gan, tuyến nước bọt (amylase, kalicrein…), huyết thanh,… Enzyme thực vật Từ thực vật có thể thu được một số enzyme thủy phân như: papain từ nhựa đu đủ; bromelin từ thân, lá và vỏ dứa, các α, β- amylase có trong malt đại mạch và malt thóc; urease có trong giá đậu tương; lipase mầm hạt thầu dầu,… n 6 Enzyme vi sinh vật Nguồn enzyme vi sinh vật rất phong phú, từ vô số loài vi sinh vật, người ta có thể thu được nhiều loại enzyme khác nhau, trong đó có những enzyme mà cơ thể động vật và thực vật không thể tổng hợp được.
Hệ enzyme vi sinh vật có khả năng thay đổi bằng cách thay đổi điều kiện nuôi cấy và dùng các tác nhân điều chỉnh, từ một loài vi sinh vật có khả năng tổng hợp mạnh một hoặc một số loại enzyme nào đó theo ý muốn. Vi sinh vật có khả năng sinh sản, phát triển và sinh tổng hợp enzyme với vận tốc cực kỳ lớn, do đó cho phép thu được một lượng enzyme trong thời gian ngắn một cách dễ dàng. Enzyme vi sinh vật có hoạt tính rất mạnh, vượt xa enzyme từ các nguồn khác. Enzyme vi khuẩn: α - amylase (Bacillus), Asparaginase (Escherichia coli), β- amylase (Bacillus), Glucose isomerase (Bacillus, Steptomyces), Protease (Bacillus),.
Enzyme nấm sợi: α - amylase (Aspergillus), glucoamylase (Aspergillus, Rhizopus), Cellulase (Trichoderma), Dextranase (Penicillium), Protease (Aspergillus), Lipase (Rhizopus,. Enzyme nấm men: invertase (Saccharomyces), lactase (Kluyveromyces), Lipase (Candida), Raffinase (Saccharomyces),. Giới thiệu chung về nấm men 2. Thành phần hóa học, hình dạng và kích thước nấm men Nấm men là loài vi sinh vật đơn bào, có khả năng sống trong môi trường dinh dưỡng có chứa đường, nitơ, photpho và các chất hữu cơ, vô cơ khác.
Chúng là các vi sinh vật dị dưỡng có khả năng sống trong cả điều kiện hiếu khí và yếm khí. Tế bào nấm men có chứa 80% là nước. Bởi vậy, trong nấm men bia ép tỉ lệ giữa trọng lượng ướt và trọng lượng khô là 4:1. Nguyên tố chủ yếu là cacbon chiếm < 50% chất khô.
Các nguyên tố chính khác như oxy (30 - 35%), nitơ (75%), hydro (5%), và photpho (1%). Hàm lượng chất khoáng tổng số khoảng 5 - 10% chất khô của tế bào. Trong tế bào còn bao gồm rất nhiều thành phần khác như: nhôm, sắt, chì, natri, lưu huỳnh, magie…[2] n 7 Các nhóm thành phần chính gồm các chất cao phân tử, đó là các protein (40 đến 45% chất khô), cacbonhydrat (30 - 35%), axit nucleic (6 - 8%) và lipit (4 - 5%). Thành phần chính xác của các nhóm chất cao phân tử trong mỗi chủng nấm men khác nhau do điều kiện nuôi cấy, pha phát triển.
Nấm men có nhiều hình dáng khác nhau: hình cầu, hình trứng hoặc hình ovan. Sự khác nhau về hình dáng cho phép phân biệt và phân loại nấm men. Kích thước tế bào nấm men cũng rất khác nhau thường là (2,5 - 4,5µm) × (10,5 - 20µm), thể tích tế bào chiếm khoảng 50 - 500µm3. Môi trường sống cũng ảnh hưởng rất lớn đến hình dáng và kích thước tế bào.
Vì vậy, khi xác định giống, loài cũng như hình dáng và kích thước nấm men người ta phải nuôi cấy trên một môi trường ổn định, ở nhiệt độ từ 28 - 30oC. Ngoài ra, kích thước nấm men còn phụ thuộc vào tuổi hay thời kì phát triển của tế bào, càng trẻ tế bào có kích thước càng bé so với các tế bào thế hệ. Cấu tạo tế bào nấm men Các tế bào nấm men có cấu tạo tương đối phức tạp, các tế bào nấm men khác nhau thì có cấu tạo và thành phần hóa học khác nhau.