Luận văn thạc sĩ công nghệ sinh học nghiên cứu sản xuất fructooligosaccharide fos bởi chế phẩm pectinex ultra spl cố định trên alginate

Luận văn thạc sĩ công nghệ sinh học nghiên cứu sản xuất FOS bằng chế phẩm Pectinex Ultra SPL cố định trên alginate, ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp thực phẩm.

• Tác giả: Huỳnh Duy Tân
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Ngọc Oanh
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nghiên cứu sản xuất Fructooligosaccharide (FOS) bằng enzyme Pectinex Ultra SP-L cố định trên alginate
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Nghiên cứu sản xuất FOS

Nghiên cứu sản xuất FOS là một trong những hướng đi quan trọng trong lĩnh vực công nghệ sinh học, đặc biệt khi FOS được coi là chất ngọt thay thế có lợi cho sức khỏe. FOS không chỉ có năng lượng thấp mà còn an toàn cho người bệnh tiểu đường, đồng thời có tính prebiotic, giúp cải thiện hệ tiêu hóa. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng Pectinex Ultra SPL để sản xuất FOS, một phương pháp tiên tiến và hiệu quả. Alginate được chọn làm chất mang để cố định enzyme, nhằm tăng hiệu suất và khả năng tái sử dụng của enzyme. Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc cố định enzyme trên alginate giúp tăng hàm lượng FOS lên đến 47,87%, trong đó I-kestose chiếm 37,06%. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất thực phẩm chức năng.

1.1. Tối ưu hóa quá trình cố định enzyme

Quá trình cố định enzyme Pectinex Ultra SPL trên Alginate được tối ưu hóa bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Kết quả cho thấy, nồng độ alginate 3,3%, tỷ lệ enzyme:alginate 0,79 g/g, và nồng độ CaCl2 3,75% là điều kiện tối ưu, đạt hiệu suất cố định protein lên đến 73,32%. Việc tối ưu hóa này không chỉ nâng cao hiệu suất sản xuất FOS mà còn giúp enzyme duy trì hoạt tính qua nhiều lần sử dụng, đặc biệt trong hệ thống phản ứng dạng cột. Điều này mở ra tiềm năng lớn cho việc ứng dụng công nghệ này trong sản xuất công nghiệp.

1.2. Ứng dụng của FOS trong thực phẩm chức năng

FOS không chỉ là chất ngọt thay thế mà còn có nhiều lợi ích sức khỏe như kích thích tiêu hóa, giảm cholesterol, và ngăn ngừa béo phì. Nghiên cứu này đã chứng minh khả năng sản xuất FOS từ Pectinex Ultra SPL cố định trên Alginate đạt hiệu suất cao, lên đến 89,49% so với enzyme tự do. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của việc ứng dụng FOS trong các sản phẩm thực phẩm chức năng, sữa, và bánh kẹo. Việc sử dụng FOS cũng giúp cải thiện sức khỏe người tiêu dùng, đặc biệt là người bệnh tiểu đường và người có nguy cơ béo phì.

II. Pectinex Ultra SPL và Alginate

Pectinex Ultra SPL là một chế phẩm enzyme có chứa hoạt tính fructosyltransferase, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất FOS. Việc cố định enzyme này trên Alginate không chỉ giúp tăng hiệu suất sản xuất mà còn giảm chi phí và tăng khả năng tái sử dụng. Alginate là một chất mang phổ biến và giá thành rẻ, phù hợp cho ứng dụng trong công nghệ sinh học. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, enzyme cố định trên alginate có thể duy trì hoạt tính qua nhiều lần sử dụng, đặc biệt trong hệ thống phản ứng dạng cột. Điều này mở ra cơ hội lớn cho việc ứng dụng công nghệ này trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực thực phẩm chức năng.

2.1. Ưu điểm của Pectinex Ultra SPL

Pectinex Ultra SPL có hoạt tính fructosyltransferase cao, giúp xúc tác hiệu quả quá trình chuyển hóa sucrose thành FOS. Việc cố định enzyme này trên Alginate giúp tăng hiệu suất sản xuất và giảm chi phí. Nghiên cứu cho thấy, enzyme cố định có thể duy trì hoạt tính qua nhiều lần sử dụng, đặc biệt trong hệ thống phản ứng dạng cột. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giúp giảm thiểu chất thải trong quá trình sản xuất.

2.2. Vai trò của Alginate trong công nghệ sinh học

Alginate là một chất mang phổ biến và giá thành rẻ, được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học. Việc cố định enzyme trên alginate giúp tăng hiệu suất sản xuất và khả năng tái sử dụng của enzyme. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng, enzyme cố định trên alginate có thể duy trì hoạt tính qua nhiều lần sử dụng, đặc biệt trong hệ thống phản ứng dạng cột. Điều này mở ra tiềm năng lớn cho việc ứng dụng công nghệ này trong sản xuất công nghiệp.

III. Công nghệ sinh học và tối ưu hóa

Công nghệ sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất FOS, đặc biệt khi kết hợp với các phương pháp tối ưu hóa như quy hoạch thực nghiệm. Nghiên cứu này đã sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa quá trình cố định enzyme Pectinex Ultra SPL trên Alginate, đạt hiệu suất cao và khả năng tái sử dụng. Việc tối ưu hóa này không chỉ nâng cao hiệu suất sản xuất FOS mà còn giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững trong quá trình sản xuất. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất thực phẩm chức năng.

3.1. Quy hoạch thực nghiệm trong tối ưu hóa

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được sử dụng để tối ưu hóa quá trình cố định enzyme Pectinex Ultra SPL trên Alginate. Kết quả cho thấy, nồng độ alginate 3,3%, tỷ lệ enzyme:alginate 0,79 g/g, và nồng độ CaCl2 3,75% là điều kiện tối ưu, đạt hiệu suất cố định protein lên đến 73,32%. Việc tối ưu hóa này không chỉ nâng cao hiệu suất sản xuất FOS mà còn giúp enzyme duy trì hoạt tính qua nhiều lần sử dụng, đặc biệt trong hệ thống phản ứng dạng cột.

3.2. Ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất FOS

Công nghệ sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất FOS, đặc biệt khi kết hợp với các phương pháp tối ưu hóa như quy hoạch thực nghiệm. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng, việc cố định enzyme Pectinex Ultra SPL trên Alginate giúp tăng hiệu suất sản xuất và khả năng tái sử dụng của enzyme. Điều này mở ra tiềm năng lớn cho việc ứng dụng công nghệ này trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực thực phẩm chức năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Dat van đề Đường chức năng là một trong nhóm thực phẩm chức năng được tập trung nghiên cứu nhiều trong những năm gân đây và có tiềm năng trở thành loại chất ngọt mới thay thé cho sucrose va loại đường truyền thống. Trong đó fructooligosaccharide (FOS) là chat tạo ngọt năng lượng thấp, có đặc tính prebiotic. FOS đang dan thay thé vi trí các loại đường truyền thống như đường kính và syrup giàu fructose, FOS được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm chức năng, sữa, công nghệ sản xuất bánh kẹo.

FOS mang lại những lợi ích cho sức khỏe người sử dụng như: kích thích tiêu hóa, giảm cholesterol, phospholipid, triglyceride, chống béo phi, an toàn cho người bị bệnh tiểu đường, ngăn ngừa sâu răng. Đặc biệt, FOS còn giúp tăng khả năng hấp thu Ca, Mg, Fe,., ngăn ngừa bệnh thiếu máu, thiếu sắt, cân bang ion Mg””, Ca“” trong co thé, chống loãng xương. Hiện nay, tại Việt Nam bệnh béo phì, tiểu đường ngày càng có tầm ảnh hưởng đến cuộc sống. Do đó việc tìm nguồn chất ngọt mang ít giá trị năng lượng và không lam thay đổi nồng độ glucose trong máu dé thay thé cho các chất ngọt truyền thống là một yêu cầu cấp thiết.

Bên cạnh đó công nghiệp thực phẩm chức năng đang ngày càng phát triển mạnh và mang lại giá trị kinh tế cao. Việt Nam có nhiều tiềm năng phát triển công nghiệp sản xuất FOS với nguồn mía đường cung cấp nguyên liệu đầu vào cho sản xuất. Từ thực trạng trên, sản xuất FOS công nghiệp là vẫn đề hết sức cân thiết hiện nay, mang lại lợi ích về sức khỏe con người cũng như nguồn lợi về kinh tế. Và để sản xuất FOS thì không thể không nhắc đến enzyme với hoạt tính fructosyltransferase là một trong những thành phan rất quan trọng trong quá trình sản xuất.

Việc nghiên cứu và sản xuất enzyme được phát triển rất mạnh từ đầu thế kỷ XX đến nay và đã mang lại nhiều lợi ích kinh tế lớn. Tuy nhiên việc sử dụng enzyme sao cho đem lại hiệu quả cao nhat và lợi ích vé kinh tê là van dé được quan tâm hang đầu trong quá trình sản xuất công nghiệp. Từ những nhu cau cấp thiết đó, enzyme cô định đã được nghiên cứu trên nhiều nước và thu được những kết quả khả quan. Trong khi các loại enzyme hòa tan không có khả năng tái sử dụng, lẫn enzyme ở sản phẩm cuối làm cho sản phẩm kém tỉnh sạch và có thể bị biến tính dưới tác dung của điều kiện môi trường thì enzyme cố định có thé khắc phục được những van dé trên.

Chính những ưu điểm enzyme cô định mà các nhà khoa hoc đã nghiên cứu cỗ định các loại enzyme khác nhau trên những chất mang khác nhau nhằm tạo ra enzyme cố định mang lại hiệu quả sử dung enzyme cao nhất. Luận điểm mới của đề tài Hầu hết các nghiên cứu ở nước ngoài chỉ tập trung vào nghiên cứu enzyme tự do sản xuất FOS và dạng có định trên chất mang Eupergit C, Sepadbead EC— EPS. Dé tài này nghiên cứu sản xuất FOS bằng chế phẩm Pectinex Ultra Sp—L cô định trên chất mang alginate là một hướng mới, chưa có nghiên cứu nào trong và ngoài nước nghiên cứu theo hướng này, đồng thời alginate là một chất mang tương đối pho bién va giá thành rẻ, có thé ung dung trong thuc tế sản xuất được. Ngoài ra dé tài còn ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để tính toán tối ưu cho các quá trình thực nghiệm.

Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu này thực hiện với mục đích dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm xác định điều kiện tối ưu khi cô định chế phẩm Pectinex Ultra SPL trên gel alginate trong quá trình sản xuất FOS. Noi dung nghiền cứu Gồm 5 nội dung: + Nghiên cứu sự phụ thuộc của quá trình cố định chế phẩm Pectinex Ultra SP—L trên gel alginate bởi các yếu tố: nông độ alginate sử dụng, ty lệ enzyme và alginate, nồng độ CaCl, băng phương pháp quy hoạch thực nghiệm + Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố: nhiệt độ, pH, nồng độ cơ chất sucrose ban đầu và vận tốc lắc đến hoạt tính của enzyme cố định + Sản xuất FOS + Tái sử dung enzyme cố định + Khảo sát điêu kiện và thời gian bảo quản enzyme cô định CHƯƠNG 2: TONG QUAN TÀI LIEU 2. Tong quan về FOS 2. Khai niém FOS Gan đây trong dinh dưỡng, người ta chú ý đến carbohydrate trong khẩu phân ăn, mà trước tiên là chất xơ.

Tuy cơ thể không lên men tiêu hóa được, nhưng chất xơ đóng vai trò quan trọng trong cuộc chiến chống lại những bệnh tật về tim mach va một số trường hop ung thư đường ruột [1,13]. Nhiều loại carbohydrate được nghiên cứu đóng vai trò như một prebiotic, với các đặc tính như: + Không bị hấp thu ở tuyến tiêu hóa trên. + Lên men bởi vi sinh vật trong ruột. + Kích thích chọn lọc sự phát triển và hoạt tính của một số vi khuẩn có khả năng cải thiện sức khỏe.

Đường chức năng là một bộ phận quan trọng trong nhóm thực phẩm chức năng được tập trung nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây và có tiềm năng trở thành loại chất ngọt mới thay thế cho sucrose, loại đường truyền thống. Có nhiều loại đường chức năng: palatinose, maltitol, sorbitol, lactitol, fructooligosaccharide (FOS), galactooligosaccharide (GOS),. trong đó, đường FOS nổi bật từ những năm 1980 và được nghiên cứu nhiều hơn cả, không chỉ vì công nghệ sản xuất đơn giản, mà nó còn có nhiều đặc tính sinh học có lợi cho sức khỏe con người: kích thích tiêu hóa, giảm cholesterol, phospholipid, triglyceride, chống béo phì, an toàn cho người bị bệnh tiểu đường, ngăn ngừa sâu răng. Đặc biệt, FOS còn giúp tăng kha năng hấp thu Ca, Mg, Fe,., ngăn ngừa bệnh thiếu máu, thiếu sat, cân bằng ion Mg””, Ca” trong cơ thể, chống loãng xương [19].

FOS là chất tạo ngọt năng lượng thấp, không được hấp thu ở tuyến tiêu hóa trên, tuy nhiên được sử dụng chọn lọc bởi hệ vi khuẩn đường ruột Bifidobacteria, nên có đặc tính prebiotic. FOS dang dan thay thế các loại đường truyền thống như đường kính va syrup giàu fructose, được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm chức năng, công nghệ sản xuất bánh kẹo [37]. Việc sử dụng FOS hằng ngày đem lại những lợi ích cho sức khỏe, mỗi ngày sử dụng 4+15 (g) FOS giúp cơ thé khỏe mạnh, giảm bệnh táo bón. Nguồn gốc và cau tạo FOS FOS có nhiều trong tự nhiên, ton tại trong các loại rau quả như chuối, man, đào, quýt, atiso, cà chua, hành, tỏi, lúa mì, măng tây và mat ong [11,13].

Hàm lượng FOS ở một số loại rau quả có thể tham khảo ở bảng 2.1: Hàm lượng FOS của một số loại cây quả (mg/g chất khô) [9] Loại cây, | I-Kestose | Nystose | Fruetofuranosylnystose | Tổng FOS quả, rau (GEF;) (GE:) (GF,) (GF,) Chuối 5,9 0,1 0,0 6,0 Quyt 1,7 0,0 1,11 2,8 Dao 3,5 0,0 0,0 3,5 Lé 0,8 0,0 0,0 0,8 Man 1,8 0,2 0,0 2.3 0,0 0,0 0,3 Rau dén dé 0,1 0,0 0,0 0,1 Rau can tay 0,2 0,0 0,4 0,6 Hanh ta 0,4 0.4 1,1 Dira 0,5 0,0 0,0 0,5 Ca chua 0,2 0,0 0,4 0,6 Tôi 8,7 1,2 0,4 10,3 Cây atiso 93,9 94,3 98,1 286,2 Hanh tay 15,5 6,7 4.4 FOS là những oligosaccharide mà trong phân tử của chúng gồm một phân tử đường sucrose liên kết với 1, 2 hay 3 gốc fructose thông qua mối liên kết B-2. Công thức tổng quát của đường FOS là GF,, trong đó n là số nhóm n =2, 3, 4 (G là gốc đường glucose, F là gốc đường fructose), tương ứng là các đường l-kestose (GF2), nystose (GF3) và fructofuranosylnystose (GF4) với công thức cầu tạo như hình 2. Tuy nhiên, nhiéu nha nghiên cứu khác cũng gdp cả các loại đường khác như fructan, glucofructosan và inulin vào nhóm đường FOS [39]. Fructooligosaccharide chứa 3 loại đường chính: I-kestose (f—D-fru- (2—1)2—o0-D-glucopyranoside, OGEF;), nystose (Ệ-D-fru-(2—>l)3-œ-D— glucopyranoside, GF3) và _ fructofuranosylnystose (—D-fru-(2—>l)4-œ-D— glucopyranoside, GF,), liên kết với các gốc fructosyl (F) tại các liên kết B(21) của sucrose(2—4) [17].

HOH ° CH,OH | Có CH,OH O Oo HOCH, , x—o al O O O T O lẹ T kh —o H O L2 H, HOCH, | 7 CH, HOCH, 2 a | cH, HOCH, 0 | 5 a HOCH | 20~ CH.OH HOCH, ° st CH.OH |< HOCH, On CH,OH 1-Kestose Nystose Fructofuranosyinystose Hình 2.1: Công thức cấu tạo của FOS [39] Fructooligosaccharide (FOS) từ đường sucrose, chất ngọt có tiềm năng thay thế với những tính chất đặc trưng, cũng được gọi là chất xơ, có một số đặc điểm như năng lượng thấp, an toàn cho người bệnh tiểu đường. FOS cũng được biết đến như prebiotic, có kha năng kích thích hoạt động của các vi sinh vật probiotic. Việc sản xuất FOS hiện năng dang phát triển mạnh trong suốt nhiều năm qua [41]. Trong tự nhiên, FOS được hình thành dưới tác dụng của enzyme chuyển hóa fructose.

Quá trình trích ly FOS từ những loại thực vật này ở quy m6 công nghiệp không có tính kinh tế do nông độ rất thấp, lượng enzyme lại bị giới hạn bởi điều kiện thời tiết, vì vậy FOS thương mại được sản xuất bằng phương pháp tong hợp hoặc thủy phân [39]. FOS có thé được sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguồn nguyên liệu sucrose, với xúc tác là enzyme B—fructofuranosidase thu nhận từ các loại nam mốc như Aureobasidiums sp. và Aspergillus niger [39]. Tính chất của FOS Bang 2.2: Đặc tính của FOS so với một số loại đường khác [9] Độ on định Độ ngọt : Đường Nhiệt độ T Độ nhót | Tính hút am (Sucrose = 1) ; pH CC) Sorbitol 0,7 <160 |2+10 Thap Cao Xylitol 0,9 <160 |2+10 | Rat thap Cao Mannitol 0,5 <160 |2+10 Thap Thap Erythritol 0,65 <160 |2+10 | Rất thập Thap Maltitol 0,75 < 160 2+ 10 Cao Trung binh Isomalt 0,60 <160 |2+10 Cao Thap Lactitol 0,40 <160 |2+10 | Ratthap | Trung bình Maltidex 0,75 < 160 2~10 Cao Trung bình FOS 0.30 <160 |2+10 | Caohơn | Trung bình Theo Gross, I-kestose là loại đường kết tinh mau trắng có góc quay cực [œ|pf” là +28,5° và nhiệt độ nóng chảy là 199 + 200 (°C).

Độ ngọt của I—kestose, nystose và fructofuranosylnystose so với sucrose lần lượt là 31 (%), 32 (%) và 16 (%). Độ ngọt tổng của ba loại đường này (FOS) chỉ bằng 30 (%) độ ngọt của đường sucrose [39]. Vi ngọt cua FOS khoảng 0,3+0,6 độ ngọt cua sucrose tùy thuộc theo cầu trúc và độ trùng hợp của các oligosaccharide. Đường FOS hút âm, nên khó bảo quản trong thời gian dài.

Ở cùng nông độ FOS có độ nhớt cao hơn so với sucrose do các phân tử có trọng lượng lớn. Độ nhớt cao làm chậm tốc độ đường tiêu hóa giúp quá trình tiêu hóa và hap thu chất dinh dưỡng tốt hơn sucrose. Độ bền nhiệt ồn định lên đến 140 (°C), pH hoạt động từ 4,0+7,0 [13, 12].