Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu đặc điểm probiotic của Lactobacillus acidophilus và thử nghiệm chế phẩm bột

• Tác giả: Võ Ngọc Ánh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thúy Hương
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm Và Đồ Uống
• Đề tài: Nghiên Cứu Probiotic Của Lactobacillus Acidophilus Và Phát Triển Chế Phẩm Bột
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tổng quan về Probiotic
• 1.1.1. Giới thiệu chung
• 1.1.2. Tiêu chuẩn lựa chọn vi sinh vật làm Probiotic
• 1.1.3. Vi khuẩn probiotic
• 1.1.4. Tổng quan về Prebiotic
• 1.1.5. Tổng quan về sấy phun
• 1.1.6. Ảnh hưởng của quá trình sấy phun đến tế bào vi sinh vật
• 1.1.7. Ưu và nhược điểm của quá trình sấy phun
• 1.1.8. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến probiotic trong lĩnh vực thực phẩm
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
• 2.1. Địa điểm và thời gian thực hiện
• 2.2. Vật liệu, hóa chất, môi trường, thiết bị
• 2.3. Thiết bị và dụng cụ
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
• 2.6. Phương pháp thí nghiệm
• 2.7. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Khảo sát đặc điểm sinh học của chủng Lactobacillus acidophilus
• 3.1.1. Quan sát vi thể - đại thể
• 3.1.2. Khảo sát đường cong sinh trưởng của chủng L.
• 3.1.3. Khảo sát một số đặc điểm probiotic của chủng L.
• 3.1.4. Khả năng chịu acid dạ dày
• 3.1.5. Khả năng chịu muối mật
• 3.1.6. Khả năng chịu enzyme Pepsin
• 3.1.7. Khả năng sinh hợp chất kháng khuẩn
• 3.1.8. Khả năng kháng kháng sinh
• 3.2. Khảo sát một số điều kiện lên men thu sinh khối
• 3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của yếu tố pH môi trường
• 3.2.2. Khảo sát tỷ lệ giống cấy
• 3.3. Bước đầu tạo sản phẩm probiotic bằng phương pháp sấy phun
• 3.3.1. Thực hiện sấy phun vi khuẩn L.
• 3.3.2. Khảo sát một số đặc điểm probiotic của sản phẩm sau sấy phun
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Giới thiệu về Probiotic

Probiotic là các vi sinh vật sống có lợi cho sức khỏe con người, đặc biệt là hệ tiêu hóa. Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), probiotic được định nghĩa là 'các vi sinh vật sống khi đưa vào cơ thể theo đường tiêu hóa với một số lượng cần thiết sẽ đem lại sức khỏe tốt cho vật chủ'. Vi khuẩn Lactobacillus acidophilus là một trong những chủng probiotic phổ biến nhất, thường được sử dụng trong các sản phẩm thực phẩm chức năng. Nghiên cứu cho thấy rằng probiotic có thể giúp cải thiện sức khỏe đường ruột, tăng cường hệ miễn dịch và giảm nguy cơ mắc các bệnh liên quan đến tiêu hóa. Việc phát triển chế phẩm bột từ Lactobacillus acidophilus không chỉ giúp bảo quản vi sinh vật mà còn tạo ra sản phẩm dễ sử dụng cho người tiêu dùng.

1.1. Lịch sử và phát triển của Probiotic

Lịch sử của probiotic bắt đầu từ việc sử dụng các sản phẩm từ sữa lên men. Năm 1907, Elie Metchnikoff đã đề xuất rằng việc tiêu thụ sữa lên men có thể giúp cải thiện sức khỏe đường ruột và kéo dài tuổi thọ. Nhiều nghiên cứu sau đó đã chỉ ra rằng các vi khuẩn probiotic như Lactobacillus và Bifidobacterium có khả năng cải thiện sức khỏe đường ruột và ngăn ngừa các bệnh tiêu hóa. Sự phát triển của các sản phẩm probiotic hiện nay đã mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp thực phẩm chức năng.

II. Đặc điểm của Lactobacillus acidophilus

Chủng Lactobacillus acidophilus có khả năng chịu acid dạ dày và muối mật, giúp nó tồn tại và phát triển trong môi trường tiêu hóa. Nghiên cứu cho thấy rằng khả năng sống sót của vi khuẩn này trong môi trường acid thấp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của probiotic. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng Lactobacillus acidophilus có thể sinh sản và phát triển tốt trong môi trường có pH từ 6.0 đến 6.5. Ngoài ra, vi khuẩn này cũng có khả năng sản sinh các hợp chất kháng khuẩn, giúp ức chế sự phát triển của các vi sinh vật gây bệnh trong đường ruột.

2.1. Khả năng chịu acid và muối mật

Khả năng chịu acid và muối mật của Lactobacillus acidophilus là một trong những yếu tố quyết định đến hiệu quả của probiotic. Nghiên cứu cho thấy rằng vi khuẩn này có thể tồn tại trong môi trường acid của dạ dày và muối mật trong ruột non. Điều này cho phép Lactobacillus acidophilus phát huy tác dụng của mình trong việc cải thiện sức khỏe đường ruột. Việc khảo sát khả năng chịu acid và muối mật là cần thiết để đánh giá tiềm năng ứng dụng của vi khuẩn này trong sản xuất thực phẩm chức năng.

III. Phương pháp phát triển chế phẩm bột

Phương pháp sấy phun được sử dụng để tạo ra chế phẩm bột từ Lactobacillus acidophilus. Quá trình này giúp bảo quản vi sinh vật và tăng cường khả năng sống sót của chúng trong môi trường tiêu hóa. Nghiên cứu cho thấy rằng việc bổ sung fructooligosaccharide (FOS) vào quá trình sấy phun có thể cải thiện tỷ lệ sống sót của vi khuẩn. Các thông số như áp lực phun, lưu lượng dịch phun và nhiệt độ đầu vào cũng được khảo sát để tối ưu hóa quy trình sản xuất chế phẩm bột.

3.1. Quy trình sấy phun

Quy trình sấy phun bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, lên men và sấy khô. Trong nghiên cứu, Lactobacillus acidophilus được nuôi cấy trong môi trường mật rỉ đường với pH 6.5 và nhiệt độ 38°C trong 24 giờ. Sau đó, vi khuẩn được sấy phun với áp lực 3 bar và nhiệt độ đầu vào từ 100°C đến 140°C. Kết quả cho thấy chế phẩm bột thu được có độ ẩm 6.9% và mật độ tế bào đạt 1.67 x 10^8 CFU/g, đáp ứng yêu cầu về chất lượng và hiệu quả của probiotic.

IV. Đánh giá hiệu quả của chế phẩm bột

Đánh giá hiệu quả của chế phẩm bột từ Lactobacillus acidophilus là bước quan trọng để xác định tính khả thi của sản phẩm. Các chỉ tiêu như mật độ tế bào, độ ẩm và các đặc điểm probiotic sau sấy phun được khảo sát. Kết quả cho thấy chế phẩm bột có khả năng duy trì hoạt tính probiotic và đáp ứng nhu cầu đa dạng hóa sản phẩm trong ngành thực phẩm chức năng. Việc phát triển chế phẩm bột không chỉ mang lại lợi ích cho sức khỏe mà còn mở ra cơ hội cho các sản phẩm mới trên thị trường.

4.1. Tác động của chế phẩm bột đến sức khỏe

Chế phẩm bột từ Lactobacillus acidophilus có thể mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe, bao gồm cải thiện tiêu hóa, tăng cường hệ miễn dịch và giảm nguy cơ mắc các bệnh tiêu hóa. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng chế phẩm bột này có thể giúp cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột, từ đó nâng cao sức khỏe tổng thể. Sản phẩm này có thể được sử dụng như một thành phần trong thực phẩm chức năng, giúp người tiêu dùng dễ dàng tiếp cận các lợi ích của probiotic.

Tổng quan nghiên cứu

Hệ tiêu hóa của người và động vật chứa hơn 500 loại vi khuẩn khác nhau, trong đó vi khuẩn probiotic đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng hệ vi sinh vật và bảo vệ sức khỏe vật chủ. Lactobacillus acidophilus là một trong những chủng vi khuẩn probiotic được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng tăng cường miễn dịch, cải thiện tiêu hóa lactose, giảm cholesterol máu và phòng chống các bệnh đường ruột. Tuy nhiên, một thách thức lớn trong ứng dụng probiotic là khả năng sống sót của vi khuẩn khi đi qua môi trường acid dạ dày và muối mật ruột non.

Luận văn này được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014 tại Phòng thí nghiệm Vi sinh, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, nhằm khảo sát đặc điểm probiotic của Lactobacillus acidophilus và thử nghiệm bước đầu tạo chế phẩm probiotic dạng bột bằng phương pháp sấy phun. Mục tiêu cụ thể bao gồm đánh giá khả năng chịu acid, muối mật, enzyme pepsin, khả năng sinh hợp chất kháng khuẩn và kháng kháng sinh của chủng vi khuẩn; khảo sát điều kiện lên men tối ưu để thu nhận sinh khối; đồng thời thử nghiệm vi gói vi khuẩn bằng sấy phun với vật liệu bột sữa gầy và bổ sung fructooligosaccharide (FOS) nhằm tăng tỷ lệ sống sót sau sấy.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm probiotic dạng bột, góp phần đa dạng hóa sản phẩm thực phẩm chức năng tại Việt Nam, đồng thời nâng cao hiệu quả ứng dụng probiotic trong bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về probiotic, prebiotic và công nghệ sấy phun:

• Lý thuyết về probiotic: Probiotic được định nghĩa là các vi sinh vật sống khi đưa vào cơ thể với số lượng đủ lớn sẽ mang lại lợi ích sức khỏe cho vật chủ. Lactobacillus acidophilus là chủng probiotic phổ biến, có khả năng chịu acid dạ dày, muối mật, enzyme tiêu hóa và sinh các hợp chất kháng khuẩn như bacteriocin, acid lactic, giúp ức chế vi khuẩn gây bệnh.

• Lý thuyết về prebiotic: Prebiotic là các thành phần thực phẩm không tiêu hóa được nhưng kích thích sự phát triển và hoạt động của vi khuẩn có lợi trong ruột. Fructooligosaccharide (FOS) là một loại prebiotic được bổ sung nhằm tăng khả năng sống sót của vi khuẩn probiotic trong quá trình sấy phun và tiêu hóa.

• Mô hình công nghệ sấy phun: Sấy phun là phương pháp sử dụng luồng không khí nóng để biến nguyên liệu dạng lỏng thành dạng bột trong thời gian ngắn, giúp bảo toàn hoạt tính sinh học của vi sinh vật. Các thông số quan trọng gồm nhiệt độ đầu vào (100-140°C), nhiệt độ đầu ra (50-68°C), áp lực phun (3 bar), lưu lượng dịch phun (300 ml/h).

Các khái niệm chính bao gồm: khả năng chịu acid, muối mật, enzyme pepsin; hoạt tính kháng khuẩn; kháng kháng sinh; vi gói vi sinh vật; mật độ tế bào (CFU/g); độ ẩm sản phẩm; và hiệu quả bảo toàn hoạt tính probiotic sau sấy.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Giống Lactobacillus acidophilus được cung cấp từ Bộ môn Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Các hóa chất, môi trường nuôi cấy và thiết bị thí nghiệm được chuẩn bị theo tiêu chuẩn phòng thí nghiệm vi sinh.

• Phương pháp phân tích:

  • Khảo sát đặc điểm probiotic bằng các thử nghiệm in vitro gồm khả năng chịu acid (pH 1.5-3.5), muối mật (0.3%), enzyme pepsin (5 g/l), khả năng sinh hợp chất kháng khuẩn và kháng kháng sinh (theo phương pháp khuếch tán trên thạch và khoanh giấy kháng sinh).
  • Khảo sát điều kiện lên men thu sinh khối trên môi trường mật rỉ đường với các biến số pH (5-7.5) và tỷ lệ giống cấy (1-9%).
  • Thử nghiệm vi gói vi khuẩn bằng phương pháp sấy phun với vật liệu bột sữa gầy, bổ sung FOS với tỷ lệ 0-3% (w/w), điều chỉnh nhiệt độ đầu vào từ 100°C đến 140°C.
  • Đánh giá mật độ tế bào sống (CFU/g) sau sấy, độ ẩm sản phẩm, và khả năng tồn tại của vi khuẩn trong môi trường acid thấp.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014, bao gồm các giai đoạn hoạt hóa và giữ giống, khảo sát đặc điểm probiotic, tối ưu điều kiện lên men, thử nghiệm sấy phun và đánh giá sản phẩm.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Sử dụng chủng Lactobacillus acidophilus thuần chủng, nuôi cấy và thử nghiệm trên các mẫu môi trường chuẩn, thực hiện các nghiệm thức với biến số được thiết kế để đánh giá ảnh hưởng từng yếu tố.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng chịu acid dạ dày: Lactobacillus acidophilus thể hiện khả năng sống sót tốt trong môi trường pH thấp từ 1.5 đến 3.5, với tỷ lệ tế bào tồn tại đạt khoảng 60-75% sau 120 phút tiếp xúc. Điều này cho thấy chủng có khả năng chịu acid dạ dày, phù hợp làm probiotic.

2. Khả năng chịu muối mật và enzyme pepsin: Chủng vi khuẩn tồn tại trên 70% trong môi trường chứa 0.3% muối mật và 5 g/l pepsin sau 120 phút, chứng tỏ khả năng thích nghi với điều kiện tiêu hóa khắc nghiệt của ruột non.

3. Khả năng sinh hợp chất kháng khuẩn và kháng kháng sinh: Lactobacillus acidophilus sản sinh các hợp chất ức chế vi khuẩn gây bệnh như Bacillus sp. và Salmonella sp., với vùng ức chế rõ rệt trên môi trường thạch. Chủng cũng kháng lại một số kháng sinh phổ biến như Ampicillin, Penicillin, Chloramphenicol, Kanamycin, Gentamycin và Tetracycline, cho thấy tiềm năng ứng dụng an toàn và hiệu quả.

4. Điều kiện lên men tối ưu: pH môi trường 6.5 và tỷ lệ giống cấy 7% được xác định là điều kiện tối ưu để thu nhận sinh khối Lactobacillus acidophilus với mật độ tế bào đạt khoảng 10^10 CFU/ml sau 24 giờ lên men ở 38°C.

5. Hiệu quả sấy phun và vi gói: Bổ sung 2% FOS trong dung dịch sấy giúp tăng tỷ lệ sống sót của vi khuẩn sau sấy phun lên đến 1,67 x 10^9 CFU/g sản phẩm, với độ ẩm sản phẩm khoảng 6,9%. Nhiệt độ đầu vào 120°C và đầu ra 53-55°C được xác định là thông số phù hợp để bảo toàn hoạt tính probiotic và chất lượng bột.

Thảo luận kết quả

Khả năng chịu acid, muối mật và enzyme pepsin của Lactobacillus acidophilus phù hợp với tiêu chuẩn lựa chọn vi sinh vật làm probiotic, đồng thời tương thích với các nghiên cứu quốc tế về chủng này. Việc bổ sung FOS làm tăng tỷ lệ sống sót sau sấy phun phù hợp với cơ chế prebiotic hỗ trợ bảo vệ và nuôi dưỡng vi khuẩn probiotic trong quá trình chế biến và tiêu hóa.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, mật độ tế bào sống sót sau sấy phun đạt mức cao hơn hoặc tương đương, chứng tỏ quy trình lên men và sấy phun được tối ưu hiệu quả. Độ ẩm sản phẩm thấp giúp tăng thời gian bảo quản và ổn định hoạt tính probiotic.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong sinh trưởng vi khuẩn theo pH và tỷ lệ giống cấy, biểu đồ tỷ lệ sống sót theo hàm lượng FOS và nhiệt độ sấy, cùng bảng so sánh khả năng kháng khuẩn và kháng kháng sinh của chủng.

Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ tạo chế phẩm probiotic dạng bột, mở rộng ứng dụng trong thực phẩm chức năng và hỗ trợ sức khỏe tiêu hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình sấy phun: Áp dụng nhiệt độ đầu vào khoảng 120°C, đầu ra 53-55°C và bổ sung 2% FOS để đảm bảo mật độ tế bào sống cao và chất lượng sản phẩm bột. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng để hoàn thiện quy trình sản xuất.

2. Phát triển sản phẩm probiotic dạng bột đa dạng: Khuyến khích nghiên cứu và sản xuất các sản phẩm probiotic dạng bột kết hợp với các nguyên liệu thực phẩm khác như sữa, ngũ cốc, nước trái cây để tăng tính ứng dụng và đáp ứng nhu cầu thị trường.

3. Nâng cao khả năng bảo quản và ổn định sản phẩm: Đề xuất nghiên cứu thêm về bao gói và điều kiện bảo quản nhằm kéo dài thời gian sử dụng, giữ nguyên hoạt tính probiotic trong điều kiện nhiệt độ phòng và lạnh.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho các doanh nghiệp và phòng thí nghiệm về công nghệ lên men, vi gói và sấy phun probiotic để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghệ thực phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm và Vi sinh: Nghiên cứu về probiotic, prebiotic và công nghệ sấy phun có thể ứng dụng kiến thức và phương pháp trong luận văn để phát triển đề tài mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng và probiotic: Áp dụng quy trình lên men và sấy phun để sản xuất chế phẩm probiotic dạng bột chất lượng cao, đa dạng hóa sản phẩm.

3. Chuyên gia dinh dưỡng và y tế cộng đồng: Hiểu rõ về lợi ích và đặc điểm của Lactobacillus acidophilus trong hỗ trợ tiêu hóa và tăng cường sức khỏe, từ đó tư vấn và phát triển các sản phẩm phù hợp.

4. Cơ quan quản lý và phát triển chính sách thực phẩm: Tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về sản xuất và kiểm soát chất lượng sản phẩm probiotic, góp phần phát triển ngành công nghiệp thực phẩm chức năng.

Câu hỏi thường gặp

1. Lactobacillus acidophilus có thể sống sót trong môi trường acid dạ dày không?
   Có, nghiên cứu cho thấy chủng này tồn tại khoảng 60-75% sau 120 phút trong môi trường pH từ 1.5 đến 3.5, phù hợp với điều kiện acid dạ dày.

2. Tại sao cần bổ sung fructooligosaccharide (FOS) trong quá trình sấy phun?
   FOS là prebiotic giúp bảo vệ vi khuẩn probiotic khỏi stress nhiệt và tăng tỷ lệ sống sót sau sấy, đồng thời hỗ trợ vi khuẩn phát triển trong đường ruột.

3. Quy trình lên men tối ưu để thu sinh khối Lactobacillus acidophilus là gì?
   Điều kiện pH 6.5, tỷ lệ giống cấy 7%, nhiệt độ 38°C trong 24 giờ cho mật độ tế bào đạt khoảng 10^10 CFU/ml.

4. Sấy phun ảnh hưởng thế nào đến hoạt tính probiotic?
   Sấy phun với nhiệt độ đầu vào 120°C và đầu ra 53-55°C trong thời gian ngắn giúp bảo toàn hoạt tính probiotic, giảm thiểu tổn thương tế bào so với các phương pháp sấy khác.

5. Chế phẩm probiotic dạng bột có thể ứng dụng trong sản phẩm nào?
   Có thể dùng trong sữa bột, ngũ cốc, nước trái cây lên men, thực phẩm chức năng dạng bột, giúp đa dạng hóa sản phẩm và tiện lợi cho người tiêu dùng.

Kết luận

• Lactobacillus acidophilus có khả năng chịu acid, muối mật và enzyme pepsin tốt, đáp ứng tiêu chuẩn probiotic.
• Quy trình lên men tối ưu với pH 6.5 và tỷ lệ giống cấy 7% thu được sinh khối cao, mật độ tế bào đạt 10^10 CFU/ml.
• Vi gói bằng sấy phun với bổ sung 2% FOS và nhiệt độ đầu vào 120°C bảo toàn hoạt tính probiotic, mật độ tế bào sống đạt 1,67 x 10^9 CFU/g.
• Sản phẩm probiotic dạng bột có độ ẩm thấp (6,9%) phù hợp cho bảo quản và ứng dụng trong thực phẩm chức năng.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ chế biến probiotic dạng bột, góp phần đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao sức khỏe cộng đồng.

Next steps: Hoàn thiện quy trình sản xuất quy mô pilot, nghiên cứu bảo quản lâu dài và phát triển sản phẩm thương mại.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên hợp tác để ứng dụng công nghệ này, thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp probiotic tại Việt Nam.