Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến sữa lên men trên thế giới và tại Việt Nam ghi nhận sự tăng trưởng ổn định nhờ nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm dinh dưỡng hỗ trợ sức khỏe đường tiêu hóa. Sữa chua là sản phẩm lên men lactic phổ biến từ sữa động vật, trong đó hệ vi khuẩn lên men chuyển hóa đường lactose thành acid lactic, đồng thời sinh tổng hợp các hợp chất tạo hương đặc trưng như diacetyl và acetaldehyde. Hệ giống khởi động chuẩn cho sản xuất sữa chua gồm sự kết hợp đồng hóa giữa hai loài vi khuẩn lactic ưa nhiệt: Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus.

Tại Việt Nam, phần lớn nguồn giống khởi động thương phẩm phục vụ chế biến sữa lên men vẫn phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu từ nước ngoài. Việc nghiên cứu làm chủ công nghệ nhân giống, tăng sinh khối và thu hồi các chủng vi khuẩn lactic bản địa hoặc lưu trữ trong nước là tiền đề quan trọng để chủ động nguồn nguyên liệu sinh học cho ngành công nghiệp thực phẩm.

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Tạ Thị Thu Huyền (chuyên ngành Công nghệ sinh học, Viện Đại học Mở Hà Nội, thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Sinh học Vi sinh – Viện Công nghiệp Thực phẩm, năm 2016) tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa công nghệ lên men và bảo tồn sinh khối chủng Streptococcus thermophilus VNY3 nhằm định hướng phối hợp với chủng Lactobacillus bulgaricus VNY4 trong sản xuất sữa chua.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu các điều kiện lên men thích hợp của chủng Streptococcus thermophilus VNY3 nhằm đạt mật độ tế bào sau lên men cao nhất.
  2. Tối ưu hóa quá trình thu hồi và bảo vệ sinh khối tế bào sau lên men nhằm đạt tỷ lệ tế bào sống cao nhất trước khi đưa vào công đoạn sấy tạo chế phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu:

  • Tối ưu hóa công nghệ lên men tăng sinh khối: Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường dinh dưỡng (nguồn carbon, nguồn nitơ, nồng độ cơ chất), điều kiện vật lý (nhiệt độ, pH ban đầu, mức độ thông khí/dung tích chứa) và thông số vận hành (tỷ lệ tiếp giống, thời gian lên men) đến mật độ tế bào S. thermophilus VNY3.
  • Nghiên cứu công nghệ thu hồi và bảo vệ sinh khối: Đánh giá khả năng sống sót của sinh khối vi khuẩn sau ly tâm, rửa và bảo quản trong các môi trường chất bảo vệ màng tế bào khác nhau dưới các điều kiện sốc nhiệt và sốc thẩm thấu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Chủng vi khuẩn lactic Streptococcus thermophilus VNY3 được cung cấp từ Bộ sưu tập giống của Viện Công nghiệp Thực phẩm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm về động học lên men và thử nghiệm các chất bảo vệ màng tế bào phục vụ sấy đông khô hoặc sấy nhiệt độ thấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và đặc điểm đối tượng

Chủng Streptococcus thermophilus (tên phân loại học khác: Streptococcus salivarius subsp. thermophilus) là vi khuẩn Gram dương, dạng cầu khuẩn hoặc hình trứng (đường kính 0,7–0,9 µm), thường kết hợp thành chuỗi dài, không tạo bào tử, kị khí tùy ý và có tính chất ưa nhiệt (nhiệt độ phát triển thích hợp từ 40–45°C).

Về mặt di truyền và biến dưỡng, bộ gen của S. thermophilus có kích thước khoảng 1,8 Mb với khoảng 1.900 trình tự mã hóa, trong đó có khoảng 10% là gen giả (pseudogenes) do quá trình thoái hóa thích nghi với môi trường sữa. Loài này sở hữu hệ thống đồng vận chuyển lactose (LacS symport) điều hòa bởi phức hợp PEP-PTS (phosphoenolpyruvate-phosphotransferase), cho phép vận chuyển hiệu quả lactose vào nội bào và giải phóng galactose ra ngoài môi trường. Trong môi trường sữa, S. thermophilus lên men đường lactose tạo L-lactic acid, làm giảm pH môi trường, kích thích sự đông tụ casein và tạo điều kiện hỗ trợ vi khuẩn Lactobacillus bulgaricus phát triển; ngược lại L. bulgaricus thủy phân protein sữa giải phóng các acid amin tự do (đặc biệt là valine) cung cấp nguồn dinh dưỡng cho S. thermophilus.

Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật phân tích

Nghiên cứu áp dụng các phương pháp thực nghiệm vi sinh vật học và hóa sinh tiêu chuẩn:

  1. Phương pháp lưu giữ và hoạt hóa giống:

    • Bảo quản lạnh sâu: Cấy sạch trên đĩa MRS agar 3 lần liên tục, thu sinh khối vào ống chứa dung dịch glycerol 40%, bảo quản ở -20°C (thời gian 6 tháng).
    • Bảo quản thạch đứng: Môi trường MRS bổ sung agar 20 g/l và CaCO3 3 g/l trong ống nghiệm nút xoáy, thanh trùng 121°C/15 phút, bảo quản ở 4°C (cấy chuyển định kỳ 1 tháng/lần).
    • Môi trường lên men cơ sở (MRS-lactose): Peptone (10 g/l), cao nấm men (15 g/l), lactose (20 g/l), Tween 80 (1 g/l), K2HPO4, thanh trùng ở 121°C trong 15 phút.

  2. Phương pháp phân tích mật độ vi sinh vật:

    • Đo độ đục quang phổ (OD600nm): Đo mật độ quang tại bước sóng $\lambda = 600\text{ nm}$ bằng máy quang phổ UV-1650PC (Shimadzu), thiết lập phương trình tương quan tuyến tính $y = ax + b$ giữa OD600 và số lượng tế bào.
    • Đếm khuẩn lạc sống (CFU/ml): Mẫu dịch lên men được pha loãng bậc 10 trong dung dịch NaCl 0,85% có bổ sung 0,1% Triton X (điều chỉnh pH 6,5), trang cấy 0,1 ml lên đĩa thạch MRS-Lactose agar, ủ ở 42°C trong 48 giờ. Mật độ tế bào tính theo công thức: $$\text{CFU/ml} = \frac{\bar{A}_i}{V_i} \times D_i$$ (Trong đó: $\bar{A}_i$ là số khuẩn lạc trung bình trên các đĩa ở nồng độ pha loãng chọn lọc từ 25–250 khuẩn lạc; $V_i = 0,1\text{ ml}$; $D_i$ là hệ số pha loãng).

  3. Phương pháp phân tích hóa sinh:

    • Định lượng đường tổng: Phương pháp so màu Phenol – H2SO4 đặc ở bước sóng $\lambda = 490\text{ nm}$, sử dụng đường chuẩn D-glucose dải nồng độ 0–120 mg/l.
    • Định lượng protein hòa tan: Phương pháp Lowry sử dụng thuốc thử Folin-Ciocalteu và dung dịch kiềm đồng tartrate (Mix), đo mật độ quang ở bước sóng $\lambda = 660\text{ nm}$, tính toán dựa trên đường chuẩn BSA (Bovine Serum Albumin) dải nồng độ 0–0,8 g/l.

Nội dung chính theo từng chương

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

Trình bày tổng quan về tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghiệp sản xuất sữa chua trong nước đang phụ thuộc nguồn giống khởi động ngoại nhập. Xác định rõ ràng nhiệm vụ, mục tiêu nghiên cứu và các nội dung thực nghiệm cần triển khai nhằm tối ưu hóa điều kiện nhân sinh khối và bảo vệ tế bào chủng Streptococcus thermophilus VNY3.

PHẦN 2: TỔNG QUAN

Tổng hợp cơ sở lý luận về vi khuẩn lactic và phân loại vi khuẩn lactic trong chế biến thực phẩm. Phân tích chi tiết đặc điểm hình thái, cấu trúc bộ gen, cơ chế vận chuyển đường lactose, các yếu tố dinh dưỡng/môi trường tác động đến sự sinh trưởng và vai trò sinh học - y học của Streptococcus thermophilus (ngăn ngừa tiêu chảy do rotavirus, cải thiện hệ vi sinh đường ruột, hỗ trợ tổng hợp ceramide bảo vệ da, giảm cholesterol huyết thanh). Đồng thời, tổng hợp số liệu thị trường tiêu thụ sữa chua thế giới và Việt Nam giai đoạn 2009–2013, phân tích thị phần của các doanh nghiệp sữa lớn (Vinamilk, TH True Milk, IDP, FrieslandCampina, Yakult).

PHẦN 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mô tả chi tiết nguồn gốc chủng vi sinh vật VNY3, danh mục hóa chất, thiết bị thí nghiệm (nồi hấp Sturdy SA-300VF, máy ly tâm SORVALL RC 6, máy đo quang phổ UV-1650PC, tủ cấy Bassaire...). Chi tiết hóa quy trình giữ giống, thành phần môi trường MRS-lactose cải tiến, các bước thực hiện phản ứng định lượng hóa sinh (Phenol - H2SO4, Lowry) và kỹ thuật đếm sống vi sinh vật.

PHẦN 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1. Xác định thời gian sinh trưởng của chủng VNY3

Khảo sát động học sinh trưởng tại 42°C, tỷ lệ tiếp giống 4% trong thời gian 0–24 giờ. Mật độ tế bào ban đầu đạt $2,22 \times 10^7\text{ CFU/ml}$. Từ sau 4 giờ lên men, vi khuẩn bước vào pha log và tăng trưởng nhanh. Đến 7 giờ, mật độ tế bào đạt $5,04 \times 10^8\text{ CFU/ml}$ và duy trì ổn định trong pha cân bằng từ 7 đến 13 giờ, sau đó giảm dần đến 24 giờ ($2,4 \times 10^7\text{ CFU/ml}$). Giá trị pH môi trường giảm nhanh từ 5,79 xuống 4,35 sau 9 giờ lên men và giữ nguyên mức này. Giai đoạn 7–9 giờ được xác định là thời điểm vi khuẩn đạt trạng thái sinh lý tốt nhất để thu nhận sinh khối giống trẻ.

2. Ảnh hưởng của sự thông khí và dụng cụ lên men

Khảo sát các dụng cụ chứa gồm ống nghiệm nút xoáy, ống nghiệm nút bông, bình tam giác Erlenmeyer và bình Schott với các tỷ lệ thể tích môi trường/thể tích dụng cụ (20%, 40%, 60%). Chủng VNY3 là vi khuẩn kị khí tùy ý nên mức độ thông khí thấp cho mật độ sinh khối cao hơn. Khi thể tích môi trường chiếm 60% dung tích bình, mật độ tế bào đạt cao nhất ở tất cả các loại dụng cụ: ống nghiệm nút xoáy đạt $6,55 \times 10^8\text{ CFU/ml}$, bình Schott đạt $6,35 \times 10^8\text{ CFU/ml}$, bình tam giác đạt $6,05 \times 10^8\text{ CFU/ml}$, ống nghiệm nút bông đạt $5,33 \times 10^8\text{ CFU/ml}$. Ống nghiệm nút xoáy với tỷ lệ điền đầy 60% được lựa chọn cho các thí nghiệm tiếp theo.

3. Ảnh hưởng của pH môi trường ban đầu

Khảo sát dải pH ban đầu từ 5,0 đến 8,0. Tại pH 5,0, mật độ tế bào giảm xuống còn $2,8 \times 10^7\text{ CFU/ml}$ (thấp hơn lượng tiếp giống ban đầu $3,86 \times 10^7\text{ CFU/ml}$). Mật độ tế bào tăng dần từ pH 5,5 và đạt giá trị cực đại tại pH 7,0 ($9,15 \times 10^8\text{ CFU/ml}$), sau đó suy giảm ở các mức pH kiềm hơn. Sau khi kết thúc lên men, pH môi trường ở hầu hết các công thức đều giảm về mức khoảng 4,7. Do đó, pH 7,0 là giá trị tối ưu ban đầu.

4. Ảnh hưởng của tỷ lệ tiếp giống

Khảo sát tỷ lệ tiếp giống từ 1% đến 10% ($v/v$). Tỷ lệ tiếp giống 2% và 3% cho mật độ tế bào sau 8 giờ lên men cao nhất, đạt lần lượt $8,38 \times 10^8\text{ CFU/ml}$ và $8,25 \times 10^8\text{ CFU/ml}$. Khi tăng tỷ lệ tiếp giống lên trên 3%, mật độ tế bào sau lên men có xu hướng suy giảm do cạn kiệt cơ chất nhanh và tích tụ acid ức chế. Tỷ lệ tiếp giống 2% (tương đương mật độ ban đầu $8,7 \times 10^6\text{ CFU/ml}$) được chọn để tối ưu chi phí và hiệu quả.

5. Ảnh hưởng của hàm lượng lactose

Khảo sát nồng độ lactose từ 5 g/l đến 40 g/l. Mật độ tế bào tăng mạnh từ nồng độ 5 g/l ($1,63 \times 10^8\text{ CFU/ml}$) lên đỉnh cao nhất tại 20 g/l ($8,75 \times 10^8\text{ CFU/ml}$), tương đương mức tăng gấp hơn 5 lần. Khi nồng độ lactose vượt quá 20 g/l (25–40 g/l), mật độ tế bào có xu hướng giảm nhẹ. Nồng độ lactose thích hợp nhất là 20 g/l.

6. Ảnh hưởng của nguồn và hàm lượng đạm

  • Lựa chọn nguồn đạm: Cố định hàm lượng protein trong môi trường là 9 g/l từ các nguồn: peptone, cao nấm men, sữa gầy và hỗn hợp peptone + cao nấm men. Kết quả cho thấy chủng VNY3 sinh trưởng kém trên nguồn đạm đơn là sữa gầy ($1,39 \times 10^7\text{ CFU/ml}$) và peptone ($2,63 \times 10^7\text{ CFU/ml}$), nhưng phát triển mạnh trên nguồn cao nấm men ($3,9 \times 10^8\text{ CFU/ml}$) và hỗn hợp cao nấm men + peptone ($4,53 \times 10^8\text{ CFU/ml}$).
  • Khảo sát tỷ lệ phối hợp peptone : cao nấm men: Khảo sát các tổ hợp nồng độ (5:10, 5:15, 10:10, 10:15, 10:20, 15:15, 15:20 g/l). Tổ hợp peptone 10 g/l + cao nấm men 10 g/l cho mật độ sinh khối cao nhất đạt $1,02 \times 10^9\text{ CFU/ml}$.

7. Lựa chọn nhiệt độ lên men

Khảo sát nhiệt độ lên men tại 35°C, 37°C, 40°C, 42°C và 45°C. Mật độ tế bào đạt cực đại ở 37°C ($1,24 \times 10^9\text{ CFU/ml}$), cao hơn so với 35°C ($9,65 \times 10^8\text{ CFU/ml}$). Khi nhiệt độ tăng từ 37°C lên 45°C, mật độ tế bào giảm dần xuống $7,65 \times 10^8\text{ CFU/ml}$. Mặc dù 37°C là nhiệt độ sinh trưởng tối ưu nhất, nhiệt độ 42°C vẫn được sử dụng để nghiên cứu động học lên men nhằm phù hợp với điều kiện thực tế của quá trình lên men sữa chua công nghiệp.

8. Động học quá trình lên men ở điều kiện tối ưu

Theo dõi quá trình lên men VNY3 tại 42°C trong 24 giờ với các thông số đã tối ưu (pH 7,0; 2% giống; 20 g/l lactose; 10 g/l peptone + 10 g/l cao nấm men). Mật độ tế bào tăng mạnh từ 0 giờ ($1,0 \times 10^7\text{ CFU/ml}$) đến 7 giờ ($9,7 \times 10^8\text{ CFU/ml}$) và đạt đỉnh tại 8 giờ với $1,33 \times 10^9\text{ CFU/ml}$. Mật độ tế bào duy trì ổn định trong khoảng 8–14 giờ trước khi suy giảm. Giá trị pH môi trường giảm nhanh từ 6,81 xuống 4,65 tại thời điểm 7 giờ và ổn định sau 16 giờ. Khoảng thời gian thu sinh khối tối ưu được xác định là từ 8 đến 14 giờ.

9. Thu hồi và bảo vệ sinh khối tế bào

  • Khảo sát dung dịch bảo vệ màng tế bào ở 30°C: Thử nghiệm 8 dung dịch bảo vệ (Glycerol 3%, Sucrose 3%, Trehalose 3%, Sodium glutamate 3%, Sorbitol 3%, Mannitol 3% pha trong đệm phosphat 0,01M pH 7,0; nước cất và NaCl 0,85%). Sau 120 phút bảo quản ở 30°C, môi trường Mannitol 3% duy trì tỷ lệ sống sót cao nhất đạt 96,9%, trong khi các chất bảo vệ khác dao động từ 0,7% đến 50,4% và nước cất làm tỷ lệ sống giảm mạnh xuống 11,8% chỉ sau 60 phút. Ba chất bảo vệ tiềm năng nhất được lựa chọn gồm: Mannitol 3%, Sorbitol 3% và Sodium glutamate 3%.
  • Ảnh hưởng của sốc nhiệt: Khảo sát các tổ hợp bảo vệ dưới các điều kiện nhiệt độ: 4°C, 30°C, 42°C, 50°C trong 1 giờ và bảo quản qua đêm (13 giờ) tại 4°C, -20°C, -30°C.
    • Tại 30°C và 4°C trong 1 giờ, tỷ lệ sống sót đạt cao nhất (đối chứng NaCl 0,85% tại 30°C đạt 95,3%).
    • Tại 50°C trong 1 giờ, mật độ tế bào suy giảm mạnh, dung dịch Mannitol 3% cho tỷ lệ sống cao nhất đạt 15,3%.
    • Khi lưu trữ qua đêm ở -20°C và -30°C, dung dịch Sorbitol 3% + Glycerol 0,3% duy trì tỷ lệ tế bào sống tốt nhất, thích hợp ứng dụng làm chất bảo vệ khi sấy đông khô. Dung dịch Mannitol 3%, Mannitol 3% + Glycerol 0,3% và Sorbitol 3% thích hợp làm chất bảo vệ khi sấy ở 50°C.
  • Ảnh hưởng của sốc thẩm thấu: Khảo sát tế bào trong dung dịch Glycerol 40%, Glycerol 85% và NaCl 0,85% ở các nhiệt độ 4°C, 30°C, 42°C, 50°C trong 1 giờ. Dung dịch Glycerol 85% (trong đệm phosphat pH 6,8) thể hiện khả năng bảo vệ vượt trội: tỷ lệ sống sót đạt 100% ở 4°C và 30°C; đạt 63,53% ở 42°C và 61,76% ở 50°C. Kết quả khẳng định chủng VNY3 có khả năng chịu sốc thẩm thấu cao.

PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tổng kết toàn bộ các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình nhân sinh khối và thu hồi tế bào chủng Streptococcus thermophilus VNY3; đề xuất kiến nghị nghiên cứu hoàn thiện các chế độ công nghệ sấy ở giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp các thông số công nghệ tối ưu cho chủng VNY3

Thông số công nghệ Điều kiện khảo sát Giá trị tối ưu lựa chọn Mật độ tế bào / Hiệu quả đạt được
Loại dụng cụ & độ thông khí Nút xoáy, nút bông, tam giác, Schott (20%, 40%, 60%) Ống nghiệm nút xoáy, thể tích dịch 60% $6,55 \times 10^8\text{ CFU/ml}$
pH ban đầu pH 5,0 – 8,0 pH 7,0 $9,15 \times 10^8\text{ CFU/ml}$
Tỷ lệ tiếp giống 1% – 10% ($v/v$) 2% ($v/v$) (tương đương $8,7 \times 10^6\text{ CFU/ml}$) $8,38 \times 10^8\text{ CFU/ml}$
Nồng độ đường Carbon Lactose: 5 – 40 g/l Lactose: 20 g/l $8,75 \times 10^8\text{ CFU/ml}$
Nguồn đạm & tỷ lệ Peptone, Cao nấm men, Sữa gầy (khảo sát các tỷ lệ) Peptone 10 g/l + Cao nấm men 10 g/l $1,02 \times 10^9\text{ CFU/ml}$
Nhiệt độ lên men 35°C, 37°C, 40°C, 42°C, 45°C 37°C (sinh trưởng tối ưu) / 42°C (lên men sữa) $1,24 \times 10^9\text{ CFU/ml}$ (ở 37°C)
Thời gian thu sinh khối Động học 0 – 24 giờ 8 – 14 giờ (ở 42°C) $1,33 \times 10^9\text{ CFU/ml}$
Bảo vệ sấy đông khô Các chất đa đường, polyol và amino acid Sorbitol 3% + Glycerol 0,3% trong đệm phosphat Duy trì tỷ lệ sống qua đêm ở -20°C đến -30°C
Bảo vệ sấy ở 50°C Khảo sát sốc nhiệt 50°C/1h Mannitol 3%, Mannitol 3% + Glycerol 0,3%, Sorbitol 3% Tỷ lệ sống sót đạt tới 15,3% (Mannitol 3%)
Khả năng chịu sốc thẩm thấu Glycerol 40%, 85%, NaCl 0,85% Glycerol 85% trong đệm phosphat pH 6,8 Tỷ lệ sống 100% (ở 4–30°C), >61% (ở 42–50°C)

Đóng góp của đề tài

  1. Giá trị thực tiễn: Thiết lập được quy trình công nghệ nhân sinh khối chủng vi khuẩn lactic Streptococcus thermophilus VNY3 trên môi trường MRS-lactose cải tiến, nâng mật độ tế bào sau lên men đạt mức cao ($1,33 \times 10^9\text{ CFU/ml}$).
  2. Giá trị kỹ thuật: Xác định được các hệ chất bảo vệ màng tế bào chuyên biệt cho chủng VNY3 thích ứng với các phương pháp chế biến tiếp theo (hệ Sorbitol 3% + Glycerol 0,3% cho sấy đông khô và Glycerol 85% hoặc Mannitol 3% cho các quá trình sấy nhiệt/sấy nhanh chịu sốc thẩm thấu).
  3. Định hướng ứng dụng: Cung cấp cơ sở dữ liệu vi sinh và công nghệ hoàn chỉnh để kết hợp sinh khối VNY3 với chủng Lactobacillus bulgaricus VNY4 trong sản xuất giống khởi động cho chế biến sữa chua.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Toàn bộ các thử nghiệm lên men và khảo sát động học mới chỉ được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm trong các dụng cụ tĩnh (ống nghiệm nút xoáy, bình tam giác thể tích nhỏ), chưa tiến hành trên hệ thống thiết bị lên men tự động (fermentor sinh học) có kiểm soát liên tục pH và khuấy đảo cơ học.
  • Đề tài dừng lại ở bước đánh giá tỷ lệ sống của tế bào trong các dung dịch bảo vệ dưới điều kiện sốc nhiệt và sốc thẩm thấu mô phỏng; chưa tiến hành vận hành thiết bị sấy thực tế (sấy đông khô hoặc sấy phun tạo bột) để đánh giá tỷ lệ sống và hoạt tính acid hóa của chế phẩm sau khi sấy và bảo quản dài hạn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thử nghiệm công nghệ lên men thu sinh khối chủng VNY3 trên hệ thống bioreactor có bổ sung trung hòa tự động acid sinh ra để kéo dài pha log và tăng mật độ tế bào.
  • Tiến hành thử nghiệm các thông số công nghệ sấy (nhiệt độ sấy, áp suất, độ ẩm cuối) với các chất bảo vệ đã chọn nhằm tạo ra chế phẩm sinh khối dạng bột thương phẩm.
  • Nghiên cứu phối trộn chế phẩm VNY3 và VNY4 theo tỷ lệ tối ưu và đánh giá chất lượng sản phẩm sữa chua lên men thành phẩm.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ sinh học, Vi sinh học ứng dụng và Công nghệ thực phẩm. Cụ thể:

  • Phương pháp vi sinh học và hóa sinh: Cung cấp quy trình chi tiết về xây dựng đường chuẩn định lượng protein theo phương pháp Lowry và định lượng đường tổng bằng phương pháp Phenol - H2SO4, cùng kỹ thuật kiểm tra mật độ vi sinh vật bằng đo độ đục quang học và cấy đếm khuẩn lạc.
  • Kỹ thuật công nghệ lên men vi sinh: Tài liệu là mô hình thực nghiệm tham khảo điển hình cho các nghiên cứu tối ưu hóa từng yếu tố (one-factor-at-a-time) trong công nghệ lên men vi khuẩn lactic.
  • Kỹ thuật bảo vệ tế bào vi sinh vật: Bảng số liệu thực nghiệm về khả năng chống chịu của tế bào S. thermophilus dưới các điều kiện sốc nhiệt (-30°C đến 50°C) và sốc thẩm thấu (Glycerol nồng độ cao) là nguồn dữ liệu hữu ích cho các đề tài nghiên cứu công nghệ sấy và bảo quản chế phẩm vi sinh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại chọn nguồn carbon là lactose thay vì glucose?

Chủng Streptococcus thermophilus VNY3 sở hữu hệ thống đồng vận chuyển lactose (LacS symport) thích nghi cao trong môi trường sữa, giúp vận chuyển và chuyển hóa đường disaccharide lactose thuận lợi hơn so với glucose. Ngoài ra, việc nuôi cấy duy trì chủng trên môi trường chứa glucose trong thời gian dài có thể làm phát sinh đột biến làm suy giảm hoặc mất khả năng đồng hóa lactose, ảnh hưởng trực tiếp đến năng lực đông tụ sữa khi ứng dụng làm giống khởi động.

2. Sự kết hợp giữa Peptone và Cao nấm men mang lại hiệu quả vượt trội như thế nào so với các nguồn đạm đơn lẻ?

Khi sử dụng nguồn đạm đơn lẻ, chủng VNY3 phát triển rất kém trên sữa gầy ($1,39 \times 10^7\text{ CFU/ml}$) và peptone ($2,63 \times 10^7\text{ CFU/ml}$). Trong khi đó, việc phối hợp Peptone (10 g/l) và Cao nấm men (10 g/l) giúp cung cấp đầy đủ cả các acid amin, peptide mạch ngắn từ peptone cùng hệ vitamin nhóm B, khoáng chất và các yếu tố sinh trưởng từ cao nấm men, đưa mật độ tế bào đạt đỉnh cao nhất là $1,02 \times 10^9\text{ CFU/ml}$.

3. Nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng của VNY3 là bao nhiêu và vì sao tác giả lại chọn 42°C để khảo sát động học lên men?

Thực nghiệm khảo sát nhiệt độ cho thấy mật độ tế bào của chủng VNY3 đạt giá trị cao nhất tại 37°C ($1,24 \times 10^9\text{ CFU/ml}$). Tuy nhiên, nhiệt độ 42°C được chọn để thực hiện nghiên cứu động học lên men vì 42–43°C là khoảng nhiệt độ công nghệ chuẩn trong quá trình lên men sữa chua thực tế khi phối hợp với chủng Lactobacillus bulgaricus.

4. Hệ chất bảo vệ nào thích hợp nhất cho quá trình sấy đông khô chủng VNY3?

Dung dịch Sorbitol 3% kết hợp với Glycerol 0,3% (pha trong đệm phosphat 0,01M pH 7,0) là hệ chất bảo vệ tối ưu nhất cho quá trình sấy đông khô nhờ duy trì được tỷ lệ sống của tế bào cao nhất sau khi thử nghiệm bảo quản qua đêm (13 giờ) ở nhiệt độ âm sâu (-20°C và -30°C).

5. Khả năng chống chịu sốc thẩm thấu của chủng VNY3 được chứng minh qua dữ liệu thực nghiệm nào?

Khi bổ sung sinh khối VNY3 vào dung dịch Glycerol nồng độ cao (85% trong đệm phosphat pH 6,8), tỷ lệ tế bào sống sót đạt 100% ở nhiệt độ 4°C và 30°C sau 1 giờ. Thậm chí ở nhiệt độ cao (42°C và 50°C), tỷ lệ tế bào sống sót vẫn duy trì lần lượt ở mức 63,53% và 61,76%, chứng minh chủng có màng tế bào bền vững và thích ứng tốt với sốc thẩm thấu.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Tạ Thị Thu Huyền đã nghiên cứu thành công các thông số công nghệ lên men và thu hồi sinh khối chủng Streptococcus thermophilus VNY3 ở quy mô phòng thí nghiệm. Quá trình tối ưu hóa các yếu tố môi trường (pH 7,0; 2% giống; 20 g/l lactose; 10 g/l peptone + 10 g/l cao nấm men ở 42°C) đã nâng mật độ sinh khối đạt $1,33 \times 10^9\text{ CFU/ml}$ trong khoảng thời gian thu hoạch 8–14 giờ. Đồng thời, nghiên cứu đã xác định được các công thức chất bảo vệ màng tế bào hiệu quả (Sorbitol 3% + Glycerol 0,3% cho đông khô và Glycerol 85% cho chịu sốc thẩm thấu), tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho các nghiên cứu sản xuất chế phẩm giống khởi động phục vụ công nghiệp chế biến sữa chua.