Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu sản xuất 5'-guanosine monophosphate từ bã nấm men bia

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích công nghệ thực phẩm nghiên cứu sản xuất chất chiết nấm men giàu 5guanosine monophosphate từ bã nấm, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Võ Ngọc Cẩm
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đống Thị Anh Đào
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm và đồ uống
• Đề tài: Nghiên cứu sản xuất chất chiết nấm men giàu 5’-guanosine monophosphate từ bã nấm men bia
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về chất chiết nấm men
• 1.2. Tổng quan về nấm men
• 1.2.1. Cấu trúc tế bào nấm men
• 1.2.2. Thành phần hóa học của nấm men
• 1.2.3. Ứng dụng của sinh khối nấm men
• 1.3. Phương pháp phá vỡ tế bào
• 1.3.1. Phá vỡ tế bào nấm men bằng phương pháp tự phân
• 1.3.1.1. Đặc điểm của quá trình tự phân
• 1.3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tự phân
• 1.3.2. Phá vỡ tế bào nấm men bằng phương pháp thủy phân bởi enzyme
• 1.4. Quá trình thủy phân RNA thu nhận 5’-GMP bằng enzyme 5’-phosphodiesterase
• 1.4.1. Cấu tạo RNA
• 1.4.1.1. Cấu tạo hóa học và đặc điểm chung của RNA
• 1.4.1.2. Đặc điểm của RNA trong nấm men
• 1.4.2. Đặc điểm của 5’-GMP
• 1.4.3. Quá trình thủy phân RNA thu nhận 5’-GMP bằng enzyme 5’-phosphodiesterase
• 1.4.3.1. Đặc điểm của enzyme 5’-phosphodiesterase
• 1.4.3.2. Nguồn thu nhận
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Bã thải nấm men bia
• 2.2. Hệ đệm phosphate – citrate
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Quy trình thu nhận chất chiết nấm men giàu 5’-GMP
• 2.3.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3.2.1. Nghiên cứu quá trình phá vỡ tế bào bằng phương pháp tự phân
• 2.3.2.2. Nghiên cứu quá trình phá vỡ tế bào nấm men bằng phương pháp sử dụng enzyme
• 2.3.2.3. Khảo sát hàm lượng enzyme phosphodiesterase thực hiện quá trình thủy phân RNA để thu nhận 5’-GMP
• 2.3.2.4. Quá trình sản xuất thử chất chiết nấm men giàu 5’-GMP bằng phương pháp thủy phân RNA bởi enzyme phosphodiesterase
• 2.3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.3.1. Phương pháp đo hàm ẩm
• 2.3.3.2. Phương pháp xác định hiệu suất trích ly protein
• 2.3.3.3. Xác định hàm lượng protein hòa tan bằng phương pháp Lowry
• 2.3.3.4. Xác định hàm lượng protein tổng bằng phương pháp Kjeldahl
• 2.3.3.5. Phương pháp xác định hàm lượng 5’-GMP
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Khảo sát quá trình phá vỡ tế bào nấm men bằng phương pháp tự phân
• 3.1.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất trích ly protein
• 3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất trích ly protein
• 3.2. Tối ưu hóa các điều kiện phá vỡ tế bào bằng phương pháp tự phân
• 3.2.1. Các thông số được lựa chọn để tiến hành quá trình tối ưu hóa
• 3.2.2. Quy trình tối ưu hóa hai thông số pH và thời gian tự phân
• 3.2.3. Kết quả thí nghiệm
• 3.3. Khảo sát quá trình phá vỡ tế bào bằng phương pháp sử dụng kết hợp enzyme endoprotease và exoprotease
• 3.3.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ giữa enzyme endoprotease (Protamex) và hỗn hợp enzyme xử lý
• 3.3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ hỗn hợp enzyme xử lý (gồm enzyme Protamex và Flavouzyme)
• 3.4. Tối ưu hóa các điều kiện phá vỡ tế bào bằng phương pháp thủy phân bằng enzyme
• 3.4.1. Các thông số được lựa chọn để tiến hành quá trình tối ưu hóa
• 3.4.2. Quy trình tối ưu hóa hai thông số pH và thời gian tự phân
• 3.4.3. Kết quả thí nghiệm
• 3.5. Khảo sát hàm lượng enzyme phosphodiesterase thực hiện quá trình thủy phân RNA để thu nhận 5’-GMP
• 3.6. Sản xuất thử sản phẩm chất chiết nấm men giàu 5’-GMP bằng phương pháp thủy phân bởi enzyme phosphodiesterase
• 3.6.1. Hàm lượng 5’-GMP và các chỉ tiêu hóa lý trong sản phẩm chất chiết nấm men giàu 5’-GMP được sản xuất bằng phương pháp thủy phân bởi enzyme
• 3.6.2. Hàm lượng 5’-GMP và các chỉ tiêu hóa lý trong sản phẩm chất chiết nấm men giàu 5’-GMP được sản xuất bằng phương pháp tự phân
• 3.7. So sánh chất lượng sản phẩm thu được từ hai phương pháp tự phân và thủy phân bằng enzyme
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu về 5 guanosine monophosphate

5'-guanosine monophosphate (5'-GMP) là một nucleotide quan trọng trong sinh học, có vai trò thiết yếu trong nhiều quá trình sinh hóa. Nó được hình thành từ RNA thông qua quá trình thủy phân. Nghiên cứu về 5'-GMP đã chỉ ra rằng nó không chỉ là một thành phần cấu trúc của RNA mà còn có khả năng kích thích vị giác, làm tăng hương vị cho thực phẩm. Việc sản xuất 5'-GMP từ bã nấm men bia không chỉ giúp tận dụng nguồn nguyên liệu thải mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao. Theo Kunikawa (1960), 5'-GMP có khả năng kích thích vị giác, mở ra hướng nghiên cứu mới cho ứng dụng trong công nghệ thực phẩm.

II. Nguồn gốc và thành phần của bã nấm men bia

Bã nấm men bia là sản phẩm phụ từ quá trình sản xuất bia, chứa một lượng lớn nấm men và các thành phần dinh dưỡng khác. Bã nấm men thường được sử dụng để chế biến thức ăn cho động vật hoặc làm phân bón, tuy nhiên, việc khai thác giá trị dinh dưỡng từ bã nấm men bia để sản xuất 5'-GMP là một hướng đi mới. Nấm men có hàm lượng protein cao, chứa nhiều amino acid và peptide, có thể được chiết xuất thông qua các phương pháp như tự phân và thủy phân bằng enzyme. Việc tối ưu hóa quy trình chiết xuất từ bã nấm men sẽ giúp nâng cao hiệu suất thu hồi 5'-GMP.

III. Quy trình sản xuất 5 GMP từ bã nấm men bia

Quy trình sản xuất 5'-GMP từ bã nấm men bia bao gồm hai bước chính: phá vỡ tế bào và thủy phân RNA. Phá vỡ tế bào có thể thực hiện bằng phương pháp tự phân hoặc sử dụng enzyme. Nghiên cứu cho thấy, hiệu suất trích ly protein cao nhất đạt được khi pH là 6,10 và thời gian tự phân là 30,20 giờ. Sau đó, RNA trong nấm men được thủy phân bằng enzyme phosphodiesterase để thu nhận 5'-GMP. Kết quả cho thấy hàm lượng 5'-GMP trong sản phẩm thu được từ phương pháp thủy phân enzyme đạt 150 mg/l, trong khi phương pháp tự phân đạt 190 mg/l. Điều này cho thấy tiềm năng của bã nấm men bia trong sản xuất 5'-GMP.

IV. Ứng dụng của 5 GMP trong công nghiệp thực phẩm

5'-GMP có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong việc tăng cường hương vị và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm. Sản phẩm chiết xuất từ bã nấm men bia không chỉ cung cấp hương vị umami mà còn bổ sung các amino acid cần thiết cho cơ thể. Việc sử dụng 5'-GMP trong thực phẩm có thể giúp cải thiện cảm giác ngon miệng và tăng cường sức khỏe. Sản phẩm này có thể được ứng dụng trong nhiều loại thực phẩm như nước sốt, súp, và các sản phẩm chế biến sẵn, mang lại lợi ích cho cả người tiêu dùng và nhà sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu sản xuất 5'-GMP từ bã nấm men bia không chỉ góp phần vào việc giảm thiểu lãng phí trong ngành công nghiệp bia mà còn mở ra cơ hội mới cho việc phát triển sản phẩm dinh dưỡng. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nghiên cứu thêm về các ứng dụng của 5'-GMP trong thực phẩm sẽ là hướng đi quan trọng trong tương lai. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất chiết xuất và mở rộng ứng dụng của sản phẩm trong ngành thực phẩm, từ đó nâng cao giá trị kinh tế cho bã nấm men bia.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất đồ uống tại Việt Nam ghi nhận sự phát triển vượt bậc với sản lượng bia toàn ngành năm 2011 đạt 2.620,7 triệu lít, tăng trưởng 9,5% so với năm 2010 và hướng tới mốc quy hoạch 4 tỷ lít với hơn 150 cơ sở sản xuất. Quá trình lên men công nghiệp tạo ra một khối lượng phụ phẩm bã nấm men bia khổng lồ. Nguồn sinh khối này hiện chủ yếu được thải bỏ hoặc tận dụng làm thức ăn chăn nuôi giá trị thấp, gây lãng phí tài nguyên sinh học giàu dưỡng chất khi tế bào chứa tới 42% - 46% protein và 6% - 8% acid nucleic tính theo chất khô.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết bài toán nâng cao giá trị gia tăng cho bã nấm men bia thông qua công nghệ sinh học. Mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa quá trình phá vỡ thành tế bào nhằm thu nhận chất chiết nấm men đạt hiệu suất trích ly protein cao, đồng thời xúc tác thủy phân RNA để tạo sản phẩm giàu 5'-guanosine monophosphate (5'-GMP) đóng vai trò chất điều vị tự nhiên.

Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trên đối tượng nấm men bia Saccharomyces cerevisiae thu gom từ Nhà máy Bia Sapporo Việt Nam tại tỉnh Long An. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc nâng hiệu suất trích ly protein lên trên 54%, tạo ra nguồn phụ gia thực phẩm có vị umami đậm đà thay thế bột ngọt tổng hợp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn trong công nghiệp đồ uống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết cấu trúc thành tế bào nấm men và cơ chế động học thủy phân sinh học. Thành tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae có độ dày từ 100 - 200 nm, chiếm 15% - 25% khối lượng tế bào khô, được cấu tạo từ mạng lưới liên kết phức tạp giữa glucan, mannan và protein. Phức hợp mannoprotein ở lớp ngoài cùng tạo nên lớp vỏ bảo vệ vững chắc, đòi hỏi tác động phân cắt chọn lọc để giải phóng các hợp chất nội bào.

Mô hình nghiên cứu kết hợp hai hệ enzyme protease: endoprotease phân cắt liên kết peptide nội mạch và exoprotease giải phóng acid amin đầu chuỗi. Quá trình này giúp hòa tan protein nội bào thành các peptide ngắn và acid amin tự do có hoạt tính sinh học.

Khung lý thuyết về vị giác dựa trên cơ chế cộng hưởng vị umami giữa acid L-glutamic và các 5'-ribonucleotide. Trong đó, enzyme 5'-phosphodiesterase (EC 3.1.4.1) đóng vai trò xúc tác thủy phân liên kết 3'-5'-phosphodiester của phân tử RNA để tạo thành các 5'-nucleotide tự do gồm 5'-GMP, 5'-AMP, 5'-CMP và 5'-UMP, nâng cao chất lượng cảm quan cho sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu sử dụng là bã nấm men bia tươi thu gom từ nhà máy sản xuất bia, được xử lý rửa sạch bằng nước lạnh và hệ đệm để loại bỏ hoàn toàn bọt bia, cặn nhựa đắng hoa hublon. Cỡ mẫu thực nghiệm được chuẩn hóa ở mức 500g đến 1000g sinh khối nấm men cho mỗi mẻ phản ứng. Phương pháp chọn mẫu phi xác suất có chủ đích được áp dụng nhằm thu thập nguồn phụ phẩm đại diện trực tiếp từ dây chuyền lên men công nghiệp quy mô lớn.

Phương pháp phân tích được lựa chọn dựa trên cơ sở khoa học chính xác:

• Phương pháp Kjeldahl xác định hàm lượng nitơ tổng số để tính toán lượng protein tổng.
• Phương pháp so màu Lowry đo hàm lượng protein hòa tan nhờ độ nhạy cao với các chuỗi peptide ngắn.
• Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với đầu dò quang phổ UV ở bước sóng 260 nm định lượng chính xác hàm lượng 5'-GMP.

Nghiên cứu áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (RSM) để khảo sát ảnh hưởng của các biến số công nghệ gồm pH, thời gian phản ứng, tỷ lệ phối trộn enzyme Protamex và Flavourzyme, cùng nồng độ enzyme phosphodiesterase trong lộ trình thực nghiệm kéo dài 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tối ưu hóa phá vỡ tế bào bằng phương pháp tự phân xác định điều kiện tối ưu tại pH 6,10 và thời gian tự phân 30,20 giờ ở nhiệt độ 50°C, đạt hiệu suất trích ly protein cực đại là 49,96%. Khi kéo dài thời gian vượt quá 30,20 giờ, hiệu suất trích ly không tăng thêm do enzyme nội bào bị suy giảm hoạt tính.

Phương pháp thủy phân sử dụng hệ enzyme kết hợp mang lại hiệu quả vượt trội. Với tỷ lệ enzyme Protamex chiếm 45,63% trong hỗn hợp enzyme xử lý và nồng độ hỗn hợp enzyme đạt 4,60% theo khối lượng cơ chất khô, hiệu suất trích ly protein đạt giá trị 54,15%. Kết quả này cao hơn 4,19% so với phương pháp tự phân truyền thống.

Quá trình thủy phân RNA bằng enzyme 5'-phosphodiesterase với nồng độ thích hợp 0,3% đã chuyển hóa hiệu quả nucleic acid thành nucleotide tự do. Kết quả phân tích sắc ký HPLC ghi nhận hàm lượng 5'-GMP đạt 150 mg/l trong mẫu thủy phân bằng enzyme và đạt 190 mg/l trong mẫu tự phân.

Sản xuất thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm đã xác nhận tính ổn định của quy trình công nghệ. Mẫu chất chiết nấm men từ phương pháp enzyme đạt hiệu suất trích ly protein thực tế 54,06%, vượt trội so với mức 50,82% của mẫu tự phân, tạo tiền đề thuận lợi cho công đoạn sấy khô thành dạng bột.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất trích ly protein cao hơn ở phương pháp sử dụng enzyme thương phẩm bắt nguồn từ cơ chế phối hợp tác động của Protamex (endoprotease từ vi khuẩn) và Flavourzyme (exoprotease từ nấm mốc). Endoprotease nhanh chóng cắt đứt các cầu nối liên kết trong màng mannoprotein, tạo điều kiện cho exoprotease giải phóng các acid amin hòa tan mà không bị phụ thuộc vào hoạt lực enzyme nội sinh vốn dễ biến tính trong môi trường tự phân kéo dài.

Dữ liệu tương tác giữa các yếu tố công nghệ được mô hình hóa qua phương trình hồi quy bậc hai và trực quan hóa bằng biểu đồ không gian ba chiều (3D Response Surface Plot). Đỉnh của mặt cong thể hiện rõ điểm cực trị tối ưu cho hiệu suất thu hồi protein. Bảng đối chiếu chỉ tiêu hóa lý cho thấy sản phẩm sấy khô có màu sắc sáng, mùi thơm tự nhiên và không còn vị đắng khó chịu của hoa hublon.

Hàm lượng 5'-GMP trong mẫu tự phân đạt 190 mg/l, cao hơn mức 150 mg/l của mẫu enzyme. Nguyên nhân là thời gian tự phân kéo dài 30,20 giờ đã kích hoạt một phần hệ nuclease tự nhiên trong tế bào nấm men cùng tham gia phân giải RNA trước khi bổ sung enzyme phosphodiesterase. Dù vậy, phương pháp enzyme vượt trội hoàn toàn về mặt rút ngắn thời gian sản xuất và nâng cao hiệu suất thu hồi protein tổng số.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm chuyển giao quy trình vào thực tế:

• Chuẩn hóa quy trình rửa loại đắng bã nấm men: Đội ngũ R&D tại các nhà máy chế biến thực phẩm cần áp dụng quy trình rửa liên hoàn bằng dung dịch kiềm loãng và nước lạnh để loại bỏ hoàn toàn polyphenol và acid đắng, nâng tỷ lệ thu hồi chất khô sạch lên trên 85% trong thời gian 6 tháng triển khai.
• Đầu tư hệ thống thủy phân enzyme quy mô công nghiệp: Bộ phận Công nghệ và Kỹ thuật tiến hành lắp đặt bồn phản ứng có kiểm soát nhiệt độ tự động, vận hành công thức phối trộn 45,63% Protamex kết hợp Flavourzyme ở tỷ lệ 4,60% cơ chất để rút ngắn chu kỳ sản xuất từ 30 giờ xuống còn 6 - 8 giờ trong vòng 12 tháng.
• Tối ưu hóa thông số sấy phun dịch chiết: Phân xưởng Chế biến phối hợp Phòng Quản lý Chất lượng hoàn thiện chế độ sấy phun với nhiệt độ khí vào 160°C - 180°C để đưa độ ẩm sản phẩm bột xuống dưới 5%, bảo toàn hơn 90% hàm lượng nucleotide 5'-GMP trong lộ trình 9 tháng.
• Thiết lập chuỗi thu gom phụ phẩm sinh khối: Ban Giám đốc doanh nghiệp liên kết với các nhà máy bia có công suất trên 100 triệu lít/năm để xây dựng mạng lưới tiếp nhận bã men tươi khép kín, mục tiêu tái chế 80% bã thải rắn công nghiệp trong vòng 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Doanh nghiệp sản xuất gia vị và mì ăn liền: Tiếp cận công nghệ sản xuất chất điều vị sinh học giàu 5'-GMP và peptide hòa tan để tạo các dòng hạt nêm tự nhiên, nước cốt súp cao cấp thay thế bột ngọt tổng hợp MSG.
• Nhà máy sản xuất bia và đồ uống lên men: Áp dụng quy trình công nghệ để tận thu nguồn bã thải men bia sẵn có, biến chi phí xử lý chất thải thành nguồn thu giá trị gia tăng cao cho nhà máy.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Sử dụng tài liệu như một nghiên cứu điển hình về phương pháp quy hoạch thực nghiệm RSM, kỹ thuật phân tích HPLC và động thái học thủy phân protein vi sinh vật.
• Đơn vị sản xuất môi trường nuôi cấy vi sinh và thức ăn chăn nuôi đặc biệt: Sử dụng dịch chiết nấm men giàu acid amin và vitamin nhóm B làm nguyên liệu nền cho môi trường lên men công nghiệp và thức ăn thủy sản cao cấp.

Câu hỏi thường gặp

Chất chiết nấm men giàu 5'-GMP mang lại lợi thế gì so với bột ngọt thông thường?

Chất chiết nấm men cung cấp vị ngọt thịt umami tự nhiên nhờ sự kết hợp giữa acid glutamic tự nhiên và nucleotide 5'-GMP. Hợp chất này có khả năng khuếch đại cảm nhận vị giác lên gấp nhiều lần, giúp doanh nghiệp giảm hàm lượng muối natri và tạo nhãn sạch (clean label) cho sản phẩm theo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm.

Tại sao cần kết hợp cả hai loại enzyme Protamex và Flavourzyme trong quá trình thủy phân?

Protamex đóng vai trò là endoprotease cắt đứt các liên kết peptide bên trong phân tử protein thành các đoạn ngắn. Flavourzyme hoạt động như exoprotease tiếp tục cắt các acid amin ở đầu chuỗi. Sự kết hợp theo tỷ lệ tối ưu 45,63% Protamex giúp phá vỡ hoàn toàn vách tế bào, nâng hiệu suất trích ly protein lên 54,15% và hạn chế vị đắng.

Phương pháp tự phân và phương pháp dùng enzyme khác nhau như thế nào về mặt vận hành công nghiệp?

Phương pháp tự phân dựa vào enzyme nội sinh của tế bào nấm men nên chi phí hóa chất thấp nhưng đòi hỏi thời gian kéo dài 30,20 giờ và hiệu suất đạt 49,96%. Phương pháp enzyme bổ sung Protamex và Flavourzyme rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng, kiểm soát tốt độ đồng đều và đạt hiệu suất trích ly cao hơn 54,15%.

Xử lý bã nấm men bia trước khi thủy phân có vai trò quan trọng ra sao?

Bã nấm men bia tươi chứa nhiều tạp chất, tế bào chết và đặc biệt là nhựa đắng từ hoa hublon bám trên bề mặt vách tế bào. Nếu không qua công đoạn rửa sạch và ly tâm tách bọt, sản phẩm chất chiết thu được sẽ có vị đắng gắt và màu sắc tối, không đạt tiêu chuẩn cảm quan thương phẩm.

Hàm lượng enzyme 5'-phosphodiesterase 0,3% tác động như thế nào đến chất lượng dịch chiết?

Nồng độ 0,3% enzyme phosphodiesterase cung cấp đủ hoạt lực nuclease để cắt đứt các chuỗi RNA thành các mononucleotide riêng biệt, giúp hàm lượng 5'-GMP đạt từ 150 mg/l đến 190 mg/l trong dịch chiết. Tỷ lệ này đảm bảo hiệu suất chuyển hóa tối ưu mà vẫn tiết kiệm chi phí enzyme bổ sung.

Kết luận

• Hoàn thiện quy trình công nghệ phá vỡ tế bào nấm men bia Saccharomyces cerevisiae để sản xuất chất chiết giàu đạm và nucleotide.
• Xác định thông số tự phân tối ưu tại pH 6,10 trong thời gian 30,20 giờ, đem lại hiệu suất trích ly protein đạt 49,96%.
• Nâng cao hiệu suất trích ly protein lên 54,15% khi sử dụng hệ enzyme kết hợp với 45,63% Protamex và nồng độ enzyme 4,60% cơ chất.
• Ứng dụng thành công enzyme 5'-phosphodiesterase 0,3% để thủy phân RNA, thu nhận dịch chiết có hàm lượng 5'-GMP đạt 150 mg/l đến 190 mg/l.
• Định hình quy trình chế biến sản phẩm bột chất chiết nấm men tiện dụng, ứng dụng trực tiếp trong ngành gia vị thực phẩm cao cấp.

Lộ trình kế tiếp tập trung vào việc thử nghiệm hệ thống thiết bị sấy phun liên tục công suất 100 kg/mẻ trong vòng 12 tháng tới. Các doanh nghiệp chế biến thực phẩm và nhà máy bia quan tâm có thể tiếp nhận chuyển giao công nghệ để thương mại hóa giải pháp sản xuất phụ gia điều vị tự nhiên từ nguồn phụ phẩm sinh khối dồi dào này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Thành tế bào Thành tế bào của nấm men dày khoảng 100 – 200nm, chiếm 15 – 25% khối lượng tế bào. Thành tế bào có nhiệm vụ bảo vệ tế bào khỏi các tác động bên ngoài, đồng thời điều chỉnh mức độ thẩm thấu chất dinh dưỡng và thải ra ngoài các sản phẩm trao đổi chất. Thành tế bào nấm men được cấu tạo từ nhiều thành phần khác nhau. Trong đó, đáng kể nhất là: glucan, manan, protein, lipid và một số thành phần nhỏ khác như kitin.

Thành phần chính là polysaccharide (80 – 90%) chủ yếu là glucan và mannan, còn lại là protein, lipid và glucosemin. Trên có nhiều lỗ để hấp thu các chất dinh dưỡng và các sản phẩm trao đổi chất thải ra [2] [22]. Manan: là hợp chất cao phân tử của D-manose, mỗi phân tử manan thường chứa từ 200÷400 thành phần manose. Thường manan liên kết với protein theo tỷ lệ 2:1.

Manan thường có mối liên kết α-1,6 ; α-1,2 ; β-1,3, phân tử lượng của chúng khoảng 5. Glucan: là hợp chất cao phân tử của D-glucose. Đó là một polysaccharide phân nhánh có liên kết β-1,6 và β-1,3. Cả hai thành phần này phân bố đều trên thành tế bào.

Protein: thường được liên kết với các thành phần khác, ví dụ như manan. Trong thành phần của chúng chứa nhiều acid amine khác nhau, như glycine, alanine, tyrosine, leucine, isoleucine, asparagine, glutamine, phenylalanine, và một lượng nhỏ serine, histidine, tryptophan. Phức hợp protein-manan rất bền vững do đó tế bào nấm men rất khó bị phá vỡ. Thường thì các polysaccharide nằm phía ngoài và protein nằm phía trong gần bào tương.

Kitin: thường nằm ở phần nảy chồi. Chúng chiếm một số lượng rất nhỏ, khoảng 3%. Đây là chất rất bền vững, không bị enzyme phân hủy, vì vậy chúng có tác dụng bảo vệ chồi trong khi chồi còn non. Khi tế bào con phát triển, tách khỏi tế bào mẹ, nơi tạo ra tế bào con này sẽ tạo ra vết sẹo và không bao giờ ở vị trí này tạo ra một chồi mới.

7 Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan Thực ra, thành tế bào gồm 3 lớp: lớp ngoài là màng nhẵn dày 10 đến 30nm gồm chủ yếu là lypoprotein, lớp tiếp theo chứa phức hợp mannan protein dày 100nm, lớp trong cùng có thể là chất keo hoặc sợi li ti dày từ 10 đến 250nm, cấu tạo từ những gốc glucan gồm 94% glucose và khoảng 6% hexoamin. Ngoài ra, còn thấy trong thành tế bào nấm men có lipid ở dạng phospholipid, chúng chiếm khoảng 1÷10%. Ở thành tế bào, người ta phát hiện có hai vùng có tính thẩm thấu có chọn lọc đối với các chất khác nhau. Vỏ này chứa các lỗ có đường kính đến 3,6nm, qua đó nước và các chất dinh dưỡng cần thiết cho tế bào được đi vào bên trong.

Các enzyme được tách ra từ tế bào tập trung ở các lớp này, chúng thủy phân các đường có phân tử lớn như maltose, saccarose…không có khả năng thẩm thấu vào bên trong tế bào. Nhờ đó, các đường maltose, saccarose…được đồng hóa ở bên trong tế bào. Màng nguyên sinh chất Tế bào chất được bao bọc bởi một lớp màng mỏng, chiều dày không quá 0,1nm. Màng có cấu tạo từ những hợp chất phức tạp như protein, phospholipid, enzyme permease.

Trong thời kỳ còn non, màng nguyên sinh chất bám sát lấy thành tế bào, làm cho khả năng trao đổi chất của nấm men trở nên rất mạnh. Ngược lại, ở thời kì tế bào già, màng nguyên sinh chất co lại, tạo ra một khoảng trống giữa thành tế bào và chất nguyên sinh, vì thế mà khả năng trao đổi chất của nấm men gặp khó khăn. Màng nguyên sinh chất có 4 chức năng cơ bản: tác dụng như rào chắn thẩm thấu, điều chỉnh chất dinh dưỡng từ môi trường vào trong tế bào và ngược lại cho các sản phẩm trao đổi chất ra ngoài tế bào, thực hiện sinh tổng hợp một số hợp phần của tế bào (các cấu tử của vỏ tế bào), nơi khu trú một số enzyme và cơ quan của tế bào (như ribosome). Vận chuyển chất qua màng liên quan đến tính thẩm thấu của màng.

Đặc tính này trước hết phụ thuộc vào các enzyme phospholipase và lipase. 8 Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan Chất nguyên sinh Tế bào chất là một chất lỏng dạng keo có tính acid (pH = 5,25), chứa chủ yếu là các ion và các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử thấp, các đại phân tử hòa tan (như enzyme, protein, glycogen). Trong đó có mạng lưới nội chất là vị trí của nhiều hệ thống enzyme khác nhau, đảm bảo sự vận chuyển vật chất cho tế bào và các cấu tử khác nhau như bộ máy golgi, lysosome, không bào (chứa các sản phẩm bị phân cắt, hay chất độc có thể có hại cho tế bào). Các tế bào nấm men khi già sẽ xuất hiện không bào.

Trong không bào có chứa các enzyme thủy phân, polyphosphate, lipid, ion kim loại, các sản phẩm trao đổi chất trung gian. Ngoài tác dụng là một kho dự trữ, không bào còn có chức năng điều hòa áp suất thẩm thấu. Năng lượng cung cấp cho tế bào qua những phản ứng xảy ra trong ty thể cũng nằm trong tế bào chất. Trong tế bào chất có nhân chứa thông tin di truyền cho tế bào và thành phần liên quan trong quá trình sinh tổng hợp và sinh sản của tế bào.

Nhân nấm men có phần trên là trung thể (centrosome) và centrochrometin và phần đáy của nhân có thêm không bào (vacuole), bên trong chứa 6 cặp nhiễm sắc thể và bên ngoài màng nhân có nhiều ty thể bám quanh. Ngoài ra còn có hạt glycogen, voluntin, hạt mỡ dự trữ chất dinh dưỡng cho tế bào. Tế bào chất luôn luôn chuyển động, theo một chiều xung quanh thành tế bào. Độ nhớt của tế bào chất lớn hơn độ nhớt của nước 800 lần.

Nhân Tế bào nấm men có nhân thật, hình bầu dục hay hình cầu, đường kính nhân vào khoảng 2µm. Nhân được bao bọc một lớp màng, bên trong là lớp dịch nhân và trong đó có một thể rắn gọi là hạch nhân hay nhân con. Màng nhân tham gia vào điều hòa các quy trình trong nhân bằng cách thay đổi tính thấm và thông báo trực tiếp giữa nhân và tế bào chất. Thành phần hóa học chủ yếu của nhân là acid deoxyribonucleic (DNA).

Bên trong nhân chứa đầy nucleoplasma trong suốt và những sợi chỉ nhỏ dài gọi là cromoxom – thành phần cấu tạo từ protein và axit deoxyribonucleic. 9 Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan Cromoxom đóng vai trò quan trọng trong tế bào, thực hiện chức năng di truyền và trao đổi chất, kiểm soát sự phân hóa tế bào và tổng hợp protein, lipoprotein và các quá trình khác, kể cả sự sinh sản của tế bào. Quá trình nẩy chồi xảy ra cùng với việc tách làm hai, khi tạo nang bào nhân sẽ tách thành nhiều phần, tùy theo số nang bào tạo thành. Không bào Không bào là một túi chứa đầy dịch tế bào.

Tùy theo giai đoạn sinh trưởng trong đó có thể có 1 hoặc 2 túi bé hơn. Ở các tế bào “trẻ”, không bào ít xuất hiện, ở các tế bào “già” không bào trở nên lớn, có khi chiếm gần hết tế bào. Điều này là do trong quá trình trao đổi chất, không bào là chỗ tạm chứa các sản phẩm trung gian và sau đó thải vào protoplasma để chịu những biến đổi tiếp theo. Đến khi quá trình trao đổi chất kết thúc, các chất không bị biến đổi sẽ tích tụ trong không bào – đẩy protoplasma về phía thành tế bào.

Ty thể Ty thể có dạng hạt nhỏ, dạng que hoặc dạng sợi mảnh phân bố trong tế bào chất ở khoảng giữa vỏ tế bào và không bào. Có thể thấy chúng ở tất cả các giai đoạn sinh trưởng của tế bào nấm men: thời kì yên tĩnh, nảy chồi, sinh bào tử…chiều dài của sợi ty thể là 0,2 -7,5µm. Hình dáng của chúng có thể thay đổi trong quá trình nuôi cấy, có thể là từ các hạt hoặc que hay sợi đơn đến kết hợp thành chuỗi. Mạng lưới nội chất Trong tế bào của nấm men có chứa hệ thống màng hai lớp, được gọi là mạng lưới nội chất.

Một số màng có kết hợp với ribosome. Mặc dù mạng lưới nội chất của nấm men cũng giống như các vi sinh vật khác có tham gia hoạt động của tế bào. Song mối quan hệ giữa mạng lưới này với các cơ quan nội bào khác vẫn chưa biết rõ ràng. Thành phần hóa học của tế bào nấm men 10 Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan Thành phần hóa học và dinh dưỡng của nấm men phụ thuộc vào chủng giống, môi trường, trạng thái sinh lý cũng như điều kiện nuôi cấy.

Thành phần cơ bản và chủ yếu của tế bào nấm men là nước, chiếm đến 75% và có khoảng 25% chất khô.2: Thành phần sinh khối của nấm men khô [19] Thành phần Hàm lượng (%) Độ ẩm 2-5 Protein 42 - 46 Cacbohydrate 30 - 37 Acid nucleic 6-8 Lipid 4–5 Khoáng chất 7-8 Từ các dữ liệu trình bày trong bảng, Rosen đã cho rằng nấm men có công thức phân tử xấp xỉ C4,02H6,5O2,11N0,43P0,03. Các thành phần có chứa carbohydrate là thành phần cấu trúc: như thành tế bào (đa số), và các hợp chất liên quan đến nguồn dinh dưỡng dự trữ, khả năng kháng stress, như glycogen và trehalose. Thành phần hóa học của tế bào nấm men Saccharomyces khác nhau tùy thuộc vào điều kiện môi trường nuôi cấy, thành phần các chất dinh dưỡng trong môi trường nuôi cấy và tình trạng sinh lý của tế bào. Thành phần chất khô của tế bào nấm men bao gồm protein, lipid, polysaccharide, mô tế bào, tro và có thể thay đổi trong quá trình nuôi cấy cũng như quá trình lên men.

Trong đó, carbohydrate gồm: polysaccharide, glycogen, trehalose, mannan, glucan và chitin. Chất chiết nấm men gồm một số phần hòa tan trong nước như acid amin, peptide, carbohydrate và muối. Hàm lượng trehalose trong nấm men càng cao thì vách tế bào nấm men càng bền. Chất mỡ của nấm men là mỡ trung tính glycerol, phospholipid, sterol tự do và nhiều sterol, este.

11 Luận văn tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan Glucid của tế bào nấm men chủ yếu là glycogen (C6H10O5), đây là chất dự trữ của tế bào. Theo thành phần cấu tạo, glycogen giống như amylopectin nhưng điểm khác nhau là khối lượng phân tử lớn hơn. Hàm lượng của glycogen trong tế bào nấm men chiếm từ 0 – 40% và tùy thuộc vào môi trường dinh dưỡng. Trong môi trường nuôi cấy dư đường, lượng glycogen tăng đáng kể.

Trong giai đoạn đầu của quá trình lên men, nồng độ đường còn cao, hàm lượng glycogen tích lũy sẽ cao. Khi lượng đường giảm, nấm men sẽ sử dụng glycogen để duy trì sự sống. Dưới tác dụng của α-amylase, glycogen sẽ biến thành maltose và dextrin.