Nghiên cứu chế phẩm lactase cố định từ công nghệ sinh học để sản xuất sữa nghèo lactose

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích công nghệ sinh học tạo chế phẩm lactase cố định trên phức chất mang cmcalginate để thăm dò ứng dụng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Mai Thanh Truyền
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thúy Hương
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Tạo chế phẩm lactase cố định trên phức chất mang CMC-Alginate để thăm dò ứng dụng tạo sản phẩm sữa nghèo lactose
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế phẩm lactase cố định trong sản phẩm sữa nghèo lactose

Chế phẩm lactase cố định là một trong những giải pháp hiệu quả để sản xuất sữa nghèo lactose. Enzyme lactase có khả năng thủy phân lactose thành glucose và galactose, giúp cải thiện khả năng tiêu hóa cho những người không dung nạp lactose. Việc ứng dụng công nghệ sinh học trong việc cố định enzyme này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất. Sữa nghèo lactose đang trở thành một sản phẩm tiềm năng trên thị trường, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

1.1. Enzyme lactase và vai trò trong sản xuất sữa

Enzyme lactase, hay còn gọi là β-galactosidase, có vai trò quan trọng trong việc thủy phân lactose. Việc sử dụng enzyme này giúp giảm thiểu các triệu chứng không dung nạp lactose, mang lại lợi ích cho sức khỏe người tiêu dùng.

1.2. Công nghệ sinh học trong chế phẩm lactase

Công nghệ sinh học đã mở ra nhiều hướng đi mới trong việc sản xuất chế phẩm lactase cố định. Việc sử dụng các chất mang như alginate và CMC giúp tăng cường hoạt tính và độ bền của enzyme, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất sữa nghèo lactose.

II. Vấn đề không dung nạp lactose và thách thức trong sản xuất sữa

Không dung nạp lactose là một vấn đề phổ biến, ảnh hưởng đến hơn 70% dân số thế giới. Điều này gây khó khăn trong việc tiêu thụ sữa và các sản phẩm từ sữa. Việc sản xuất sữa nghèo lactose là một thách thức lớn đối với ngành công nghiệp thực phẩm. Các nhà sản xuất cần tìm ra giải pháp hiệu quả để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm.

2.1. Tình hình không dung nạp lactose trên thế giới

Tỷ lệ không dung nạp lactose khác nhau giữa các khu vực, từ 5% ở Bắc Âu đến gần 100% ở một số nước Châu Á và Châu Phi. Điều này tạo ra nhu cầu lớn cho các sản phẩm sữa đã thủy phân lactose.

2.2. Thách thức trong sản xuất sữa nghèo lactose

Sản xuất sữa nghèo lactose đòi hỏi công nghệ tiên tiến và quy trình sản xuất hiệu quả. Các nhà sản xuất cần phải tối ưu hóa quy trình để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng cao nhất.

III. Phương pháp cố định lactase trong sản xuất sữa nghèo lactose

Phương pháp cố định lactase là một trong những giải pháp hiệu quả nhất để sản xuất sữa nghèo lactose. Việc sử dụng các chất mang như alginate và CMC giúp tăng cường hoạt tính của enzyme và kéo dài thời gian sử dụng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ lệ alginate/CMC 1/1 là tối ưu cho quá trình cố định lactase.

3.1. Quy trình cố định lactase trên chất mang

Quy trình cố định lactase bao gồm các bước như chuẩn bị chất mang, hòa tan enzyme và thực hiện quá trình cố định. Các yếu tố như pH và nhiệt độ cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của enzyme.

3.2. Động học của lactase cố định

Động học của lactase cố định cho thấy các thông số như K_m và V_max có sự khác biệt rõ rệt so với lactase tự do. Điều này cho thấy enzyme cố định có khả năng hoạt động hiệu quả hơn trong điều kiện sản xuất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của chế phẩm lactase cố định trong sản xuất sữa

Chế phẩm lactase cố định đã được ứng dụng thành công trong sản xuất sữa nghèo lactose. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất thủy phân lactose đạt 90,69% trong lần đầu tiên và giảm còn 61,1% sau 12 lần tái sử dụng. Điều này chứng tỏ tính khả thi của việc sử dụng chế phẩm lactase cố định trong sản xuất thực phẩm.

4.1. Kết quả nghiên cứu về hiệu suất thủy phân

Nghiên cứu cho thấy hiệu suất thủy phân lactose trong sữa đạt 90,69% trong lần đầu tiên. Sau 12 lần tái sử dụng, hoạt tính của chế phẩm lactase vẫn còn 71,4%, cho thấy tính bền vững của enzyme.

4.2. Tác động đến thị trường sản phẩm sữa

Sự xuất hiện của sữa nghèo lactose trên thị trường không chỉ đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng mà còn mở ra cơ hội mới cho các nhà sản xuất trong ngành công nghiệp thực phẩm.

V. Kết luận và tương lai của sản phẩm sữa nghèo lactose

Sản phẩm sữa nghèo lactose có tiềm năng lớn trong thị trường thực phẩm hiện đại. Việc nghiên cứu và phát triển chế phẩm lactase cố định sẽ góp phần giải quyết vấn đề không dung nạp lactose cho người tiêu dùng. Tương lai của sản phẩm này hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.1. Tương lai của sản phẩm sữa nghèo lactose

Với sự phát triển của công nghệ sinh học, sản phẩm sữa nghèo lactose sẽ ngày càng trở nên phổ biến. Các nhà sản xuất cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện chất lượng và hiệu suất sản phẩm.

5.2. Khuyến nghị cho ngành công nghiệp thực phẩm

Ngành công nghiệp thực phẩm cần đầu tư vào nghiên cứu và phát triển công nghệ enzyme cố định để sản xuất sữa nghèo lactose hiệu quả hơn. Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm chi phí sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay, chúng ta rất quen thuộc với nhiều loại sản phẩm làm từ sữa như: sữa chua, sữa đặc, sữa nước, sữa bột, bơ, pho mát. Không ai có thể phủ nhận một thực tế rằng, bản chất của sữa là một nguồn dinh dưỡng dồi dào, đáp ứng tốt nhu cầu dinh dưỡng của con người và đặc biệt rất thơm ngon. Sữa là nguồn cung cấp các yếu tố thiết yếu cho sinh trưởng và phát triển của con người. Mỗi người chúng ta ngay từ lúc sinh ra đều cần đến sữa để bắt đầu sự sống.

Tất cả chúng ta đều biết rằng bò sữa có thể sản xuất ra sữa phục vụ nhu cầu của con người. Sữa rất giàu năng lượng, đạm, khoáng và các loại vitamin. Các nhà khoa học còn chỉ ra rằng trong sữa có đến hơn 100 loại thành phần khác nhau [68]. Khi thủy phân lactose tạo thành 2 đường đơn glucose và galactose.

Enzyme thủy phân lactose là β- galactosidase (EC.23), thường được gọi là lactase. Ngày nay, sữa bò và các sản phẩm khác từ sữa được xem là thực phẩm thường nhật của con người. Vì thế, lactose là nguồn cung cấp lượng carbohydrate đáng kể hàng ngày của chúng ta. Nhưng lactose trong sữa và các sản phẩm từ sữa lại ảnh hưởng đến sự tiêu hóa.

Không dung nạp lactose do thiếu enzyme lactase trong niêm mạc ruột non là vấn đề của hơn 70% dân số trên thế giới. Lượng lactose không hấp thu trong ruột bị chuyển hóa bởi các quần thể vi khuẩn ở ruột dẫn đến tiêu chảy, đau bụng, đầy hơi và khó chịu. Vấn đề này có thể được giải quyết nếu lactose trong sản phẩm sữa được thủy phân thành các dạng đường đơn dễ hấp thu. Sử dụng lactase ngoại bào thủy phân lactose sẽ giải quyết triệt để vấn đề này.

Lactase có thể được sử dụng ở dạng hòa tan, cố định. Nhưng với sự phát triển của công nghệ enzyme cố định mang lại rất nhiều ưu điểm trong quá trình thủy phân lactose [58]. Tỷ lệ không dung nạp lactose khác nhau ở các khu vực trên thế giới từ 5% đến gần như 100%. Ước tính có khoảng 75% người 1 trưởng thành có hiện tượng giảm hoạt động của lactase trong giai đoạn trưởng thành.

Tỷ lệ giảm hoạt động của lactase từ 5% ở Bắc Âu, lên 71% ở Nam Âu, và lên tới 90% ở các nước Châu Phi và Châu Á [51]. Hiện nay, thế giới có rất nhiều sản phẩm sữa đã thủy phân lactose hay còn gọi sữa nghèo lactose (lactose-reduced milk), nhưng tại Việt Nam, các công ty sữa vẫn chưa sản xuất được sản phẩm này, tất cả sản phẩm đều nhập ngoại nên giá thành rất cao. Vì thế, chúng tôi tiến hành nghiên cứu “Tạo chế phẩm lactase cố định trên phức chất mang CMC-Alginate để thăm dò ứng dụng tạo sản phẩm sữa nghèo lactose”. Với mục tiêu, thử nghiệm tạo sản phẩm sữa nghèo lactose tại Việt Nam.

Căn cứ trên mục tiêu này, chúng tôi tiến hành khảo sát ba nội dung: - Khảo sát kỹ thuật và tối ưu quá trình cố định lactase. - Khảo sát động học lactase cố định và lactase tự do. - Thử nghiệm tạo sản phẩm sữa nghèo lactose bằng lactase cố định. Luận điểm mới của đề tài thể hiện ở hai khía cạnh: - Tạo chế phẩm lactase cố định.

- Góp phần giải quyết được vấn đề không dung nạp lactose của đa số dân số. Khai thác tiềm năng thị trường sữa tại Việt Nam. * Quy mô nghiên cứu: quy mô phòng thí nghiệm. Giới thiệu enzyme lactase Lactase có mã số phân loại EC.23, là một enzyme thủy phân đường lactose thành các monomer là glucose và galactose.

Việc sử dụng β-galactosidase để thủy phân lactose trong sữa và dịch whey là một trong những ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp chế biến thực phẩm và các sản phẩm từ sữa. Enzyme này có thể được sử dụng dưới dạng hòa tan hoặc dạng cố định nhưng dạng hòa tan chỉ có thể sử dụng trong qui trình sản xuất gián đoạn, còn dạng cố định có lợi thế hơn là có thể sử dụng tốt cho cả hai qui trình sản xuất gián đoạn và liên tục. Mặc dù hầu hết các ngành công nghiệp vẫn thủy phân lactose với enzyme tự do, nhưng việc sử dụng enzyme β-galactosidase cố định là một lĩnh vực đáng quan tâm vì những tiềm năng của nó. Lactase là một trong những enzyme được nghiên cứu ở dạng tự do và cố định trên quy mô lớn.

Enzyme này có rất nhiều ứng dụng, nhưng do giá thành cao nên người ta khuyến khích sử dụng enzyme này dưới dạng cố định. Lactase cố định rất quan trọng chủ yếu trong việc xử lí huyết thanh sữa, khi đó chất béo và protein trong nhũ tương sữa có xu hướng bám lên bề mặt chất xúc tác sinh học. Điều này sẽ làm giảm hoạt tính của enzyme và làm tăng sự ngoại nhiễm vi sinh vật [49]. Cấu trúc β-galactosidase của Penicillum sp.

Nguồn thu nhận enzyme β-galactosidase Enzyme β-galactosidase có thể được thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau như vi sinh vật, thực vật và động vật. Tuy nhiên, tính chất của enzyme được thu nhận từ các nguồn khác nhau có sự khác nhau rõ rệt. Enzyme thu nhận từ nguồn thực vật và động vật có giá trị kinh tế thấp, nhưng thu nhận từ nguồn vi sinh vật lại có nhiều ưu thế như dễ dàng xử lí thu nhận, tốc độ nhân giống vi sinh vật cao, năng suất thu nhận sản phẩm cao. Một số vi sinh vật được xem là nguồn thu nhận tiềm năng của loại enzyme này.

Bacillus licheniformis [65] 4 Bảng 1. Nguồn vi sinh vật thu nhận β-galactosidase Nguồn Vi sinh vật Alicyclobacillus acidocaldarius subsp. rittmannii Arthrobacter sp. stearothermophilus Bacteriodes polypragmatus Bifidobacterium bifidum, B.

infantis Clostridium acetobutylicum, C. thermosulfurogens Corynebacterium murisepticum Enterobacter agglomerans, E. cloaceae Escherichia coli Klebsiella pneumoniae Lactobacillus acidophilus, L. Vi khuẩn delbrueckii Leuconostoc citrovorum Pediococcus acidilacti, P.

pento Propioionibacterium shermanii Pseudomonas fluorescens Pseudoalteromonas haloplanktis Streptococcus cremoris, S. thermophius Sulfolobus solfatarius Thermoanaerobacter sp. aquaticus Trichoderma reesei Vibrio cholera Xanthomonas campestris Alternaria alternate, A. palmi Aspergillus foelidis, A.

Oryzae Auerobasidium pullulans Curvularia inaequalis Fusarium monilliforme, F. oxysporum Nấm Mucor meihei, M. pusillus Neurospora crassa Penicillum canescens, P. expansum Saccharopolyspora rectivergula Scopulariapsis sp Streptomyces violaceus Bullera singularis Candida pseudotropicalis Nấm men Saccharomyces anamensis, S.

fragilis Kluyveromyces bulgaricus, K. Tính chất của β-galactosidase của nấm mốc, nấm men, vi khuẩn Cơ chất lactose Chất Nguồn gốc 0 Km Chất ức chế pHopt T opt M, kD hoạt hóa (mM) Nấm mốc Aspergillus niger 3,5 58 85 124 - - Aspergillus oryzae 5,0 55 50 90 - - Nấm men Kluyveromyces lactis 6,5 37 35 115 K+, Mg2+ Ca2+, Na+, Zn, Cu Kluyveromyces fragilis 6,6 30 0,23 – 200 - SDS 0,99 (ONPG) Sterigmatomyces 6,0 60 - - Fe2+, - elviae CBS8119 Ca2+, Cu2+, Zn2+ Vi khuẩn Escherichia coli 7,2 40 2 540 Na+, K+ - Bacillus subtilis 6,5 50 700 - - - Bacillus 6,2 55 2 220 Mg2+ - stearothermophilus Lactobacillus 6,2 55 6 540 - - thermophilus Lactobacillus reuteri 8,0 45 13 35 Na+, K+, Fe2+, Ca2+, L103 Mn2+ Cu2+, Zn2+ Lactobacillus reuteri 6,5 50 31 72 Na+, K+, Fe2+, Ca2+, L461 Mn2+ Cu2+, Zn2+ Bullera singularis 5,0 50 580 53 - Ag3+, SDS KCTC 7534 Bacillus 7,0 70 2,96 70 - Fe2+, Zn2+, stearothermophilus Cu2+, Pb2+, Sn2+ Bifidobacterium 4,8 45 800 362 EDTA Zn2+, Mn2+ bifidum Co2+, Ca2+, Sn2+ Bifidobacterium 5,0 60 2,6 470 Na+, K+ Cr3+, EDTAc, infantis urea, galactose PCMB Bacillus circulans 6,0 65 41,7 67 - - Bacillus coagulans 6,5 55 50 430 EDTA Fe , Cu2+, 3+ Zn2+, galactose kD = kiloDalton; oNPG = o-nitrophenyl β - D galactopyranoside; SDS = sodium dodecyl sulfate; EDTA = ethylene diamine tetraacetic acid; PCMB = p-chloromercuribenzoate [27]. Enzyme cố định 1. Định nghĩa enzyme cố định Enzyme cố định là enzyme được giới hạn hay khu biệt về mặt vật lý ở một vùng không gian nhất định nhưng vẫn giữ được hoạt tính xúc tác và có thể được tái sử dụng nhiều lần [37].

Các ưu điểm của enzyme cố định: - Khả năng tái sử dụng: enzyme cố định có thể được sử dụng lại nhiều lần, quá trình xúc tác có thể xảy ra liên tục và có thể được kiểm soát triệt để nên việc sử dụng enzyme cố định kinh tế hơn so với enzyme hòa tan. - Có các ứng dụng đa dạng với nhiều kiểu cố định khác nhau phù hợp cho từng ứng dụng đó. - Có thể bất hoạt nhanh enzyme khi cần. - Sản phẩm của quá trình chuyển hóa do enzyme cố định xúc tác có thể được tách ra dễ dàng trong khi vẫn giữ được các đặc tính của enzyme.

- Các đặc tính lý hóa có thể thay đổi đa dạng: Độ ổn định, pH tối ưu, khả năng chịu nhiệt và mức độ đặc hiệu có thể thay đổi tùy theo phương pháp cố định enzyme. Đặc biệt, có một số enzyme nhạy cảm với nhiệt trở nên bền nhiệt hơn khi gắn vào chất mang trơ về mặt hóa học. - Có thể được sử dụng như các mô hình của enzyme trong tự nhiên. Ví dụ như việc cố định nhiều loại enzyme trong một con đường chuyển hóa sinh hóa tự nhiên trong các cấu trúc lỗ nano có thể xúc tác in vitro cho một quá trình chuyển hóa phức tạp diễn ra theo nhiều bước [10,36].

Tuy nhiên theo Parmjit S. Pannesar và cộng sự (2010) vấn đề chính trong hệ thống cố định enzyme là sự nhiễm khuẩn, kết dính protein và phân dòng. Các vấn đề này có thể được khắc phục bằng phương pháp rửa định kỳ, thanh trùng pasteur và hướng dòng chảy của nguồn cung cấp. Vấn đề nhiễm khuẩn cũng có thể khắc phục bằng cách khai thác đặc tính nhiệt độ của enzyme.

Các enzyme ổn định nhiệt có khả năng duy trì hoạt tính của chúng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài và do có nhiệt độ hoạt động cao nên quá trình ít bị ảnh hưởng bởi sự nhiễm khuẩn. Các thông số quan trọng của một enzyme cố định cần đạt được: 7 - Năng suất của enzyme từ nguồn ban đầu. - Giá cả của chất mang hay các hóa chất cố định. - Hoạt tính của enzyme cố định.

- Độ bền của enzyme cố định. - Khả năng tái sử dụng chất mang [10]. Lịch sử phát triển của enzyme cố định Có thể chia lịch sử phát triển của enzyme cố định ra thành ba giai đoạn phát triển chính: - Giai đoạn 1: năm 1815, ứng dụng enzyme cố định trong các quá trình như sản xuất acid acetic, xử lý nước thải. - Giai đoạn 2: thập niên 1960, cố định đơn enzyme để sản xuất L-amino acid, đồng phân hóa glucose.

- Giai đoạn 3: từ 1985 – 1995, cố định đa enzyme bao gồm tái sinh co-factor và cố định tế bào [21]. Trong đó, nổi bật lên một số nghiên cứu: Năm 1916, Nelson và Griffin quan sát và cho thấy rằng enzyme invertase (EC.6) của nấm men khi hấp thụ vào than có khả năng thủy phân đường saccharose.