Nghiên Cứu Quá Trình Sinh Tổng Hợp Gamma Aminobutyric Acid (GABA) Từ Cám Gạo

• Tác giả: Nguyễn Thị Xuân Nữ
• Người hướng dẫn: TS. Lại Quốc Đạt
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Quá Trình Sinh Tổng Hợp Gamma Aminobutyric Acid (GABA) Từ Môi Trường Cám Gạo Sử Dụng Chủng Lactobacillus Brevis
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MUC BANG
• DANH MUC HINH
• DANH MUC VIET TAT
• 1. CHUONG 1
• 1.1. Ly do hinh thanh dé tai
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.2.1. Mục tiêu tổng quát
• 1.2.2. Mục tiêu cu thể
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHUONG 2: TONG QUAN
• 2.1. Tong quan về GABA
• 2.1.1. Giới thiệu về GABA
• 2.1.2. Chức năng sinh lý của GABA
• 2.1.3. Cơ chế sinh tong hop GABA
• 2.1.4. Tình hình nghiên cứu — sản xuất GABA hiện nay
• 2.1.5. Các yếu tổ ảnh hưởng tới quá trình lên men tổng hop GABA từ vi sinh vật
• 2.1.5.1. Chung vi sinh vật
• 2.1.5.2. Thông số công nghỆ
• 2.1.5.3. Nguồn dinh dưỡng
• 2.2. Tổng quan về cám gạO
• 2.2.1. Thanh phan hóa học của CAM gạo
• 2.2.2. Protein và thành phan nitrogenn
• 2.2.3. Lipit CAM ĐØẠO
• 2.2.4. Một số thành phan khác trong cám gạo
• 2.2.5. Tình hình nghiên cứu cám gạo hiện nay trên Thế giới và Việt Nam
• 2.3. Tong quan về enzyme thủy phan
• 2.3.1. Giới thiệu về enzyme thủy phân ơ - amylase
• 2.3.2. Giới thiệu về enzyme thủy phân protease
• 3. CHUONG 3: NGUYEN LIEU VÀ PHƯƠNG PHAP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Mục tiêu dé tai
• 3.2. Vi khuẩn
• 3.3. Enzyme thủy phân
• 3.4. Nội dung nghiÊn CỨU
• 3.4.1. Sơ đồ nghiên cứu — quy trình thí nghiệm
• 3.4.2. Nội dung 1: Xác định thành phan hóa hoc của nguyên liệu
• 3.4.3. Nội dung 2: Khảo sát ảnh hưởng quá trình tiền xử lý nguyên liệu cám gạo đến kha năng lên men sản xuất GABA
• 3.4.3.1. Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng nồng độ enzyme a-amylase đến quá trình tiền xử lý nguyên liệu cám gạo tách béo
• 3.4.3.2. Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng quá trình xử lý bằng a- amylase đến khả năng sinh tổng hop GABA từ vi khuẩn
• 3.4.3.3. Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng ty lệ enzyme Alcalase : Flavourzyme đến quá trình tiền xử lý nguyên liệu cám gạo tách béo
• 3.4.3.4. Thi nghiệm 4: Khảo sát anh hưởng nồng độ enzyme protease đến quá trình tiền xử lý nguyên liệu cám gạo tách béo
• 3.4.3.5. Thí nghiệm 5: Khảo sát ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý nguyên liệu đến khả năng lên men sinh tong hợp GABA
• 3.4.4. Nội dung 3: Khảo sát ảnh hưởng nông độ peptone bồ sung đối với quá trình lên men sản xuất Gaba từ dịch thủy phân cám gạo tách béo sử dụng chủng
• 3.5. Phương pháp phân tÍch
• 3.5.1. Định lượng nito tỐng
• 3.5.2. Cách tiến Hanh
• 3.6. Kae dimh g0
• 3.6.1. Cách tiến hành
• 3.7. Định lượng hàm lượng tro tong
• 3.7.1. Cách tiến hành
• 3.8. Định hàm lượng tinh Đột[L
• 3.8.1. Cách tiến hành
• 3.9. Phương pháp xác định đường tổng và khử
• 3.9.1. Xác định hàm lượng đường tổng bang phương pháp axit sulfuric- PHENO]
• 3.9.2. Xác định hàm lượng khử bằng phương pháp axit dinitrosalicylic (DNS)
• 3.10. Phuong pháp xác định hàm lượng axit amiIn
• 3.10.1. Cách tiến hành
• 3.11. Định lượng lipit tỔng
• 3.11.1. Cách tiến hành
• 3.12. Định lượng hàm lượng chất Khô
• 3.12.1. Cách tiến hành
• 3.13. Đánh giá về sự tăng trưởng của tế bào vi sinh vật — phương pháp đếm khuẩn lạc trực tiếp —
• 3.13.1. Cách tiến hành
• 3.14. Định lượng vi sinh vật bằng phương pháp do mật độ quang
• 3.14.1. Cách tiễn hành
• 3.15. Định lượng hàm lượng GABA
• 3.15.1. Cách tiễn hành
• 3.16. Tính toán - Xử lý thống kê
• 3.16.1. Xử lý thống Kê
• 4. CHUONG 4: KET QUÁ VA BAN LUẬN
• 4.1. Thanh phan hóa học cơ ban của nguyên liệu cám gạo
• 4.2. Ảnh hưởng quá trình tiền xử lý nguyên liệu cám gạo tach béo đến kha năng lên men sinh tổng hợp GABA
• 4.2.1. Ảnh hưởng nồng độ enzyme ơ- amylase đến quá trình tiền xử lý nguyên liệu cám gạo tách ĐéO
• 4.2.1.1. Ảnh hưởng của nông độ a - amylase đến hàm lượng chất khô hòa tan
• 4.2.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ a- amylase đến ham lượng đường khử
• 4.2.2. Anh hưởng quá trình xử lý băng a- amylase đến khả năng lên men sinh tong hợp GABA từ vi khuẩn
• 4.2.3. Ảnh hưởng tỷ lệ enzyme Alcalase : Flavourzyme đến quá trình tiền xử lý nguyên lIỆU CAM ĐạO
• 4.2.3.1. Ảnh hưởng của ty lệ Alcalase:Flavourzyme đến mức độ thủy phân axit
• 4.2.3.2. Anh hưởng của ty lệ Alcalase:Flavourzyme đến ham lượng đường khử
• 4.2.4. Ảnh hưởng của nông độ enzyme protease đến mức độ thủy phân axit AMIN của dịch CAM ØạO
• 4.2.5. Anh hưởng của nồng độ enzyme protease đến ham lượng đường khử
• 4.2.6. Ảnh hưởng của nông độ enzyme protease đến hàm lượng chất khô hòa
• 4.2.7. Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý nguyên liệu cám tạo tách béo đến khả năng lên men sinh tong hợp GABA
• 4.2.7.1. Sự biến thiên hàm lượng đường khử theo thời gian
• 4.2.7.2. Sự biến thiên hàm lượng chất khô hòa tan theo thời gian
• 4.2.7.3. Sự biến thiên độ pH theo thời gian
• 4.2.7.4. Sự biến thiên mật độ tế bào theo thời gian
• 4.2.7.5. Sự biến thiên hàm lượng GABA theo thời gian
• 4.3. Ảnh hưởng nông độ peptone bố sung đối với quá trình lên men sản xuất Gaba từ dịch thủy phân cám gạo tách béo sử dụng chung
• 4.3.1. Sự biến thiên độ pH theo thời gian
• 4.3.2. Sự biến thiên hàm lượng chất khô hòa tan
• 4.3.3. Sự biến thiên của hàm lượng đường khử theo thời gian
• 4.3.4. Sự biến thiên mật độ tế bào của vi khuẩn theo thời gian
• 4.3.5. Sự bién thiên hàm lượng GABA theo thời gian
• KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ
• Quy trình thực hiện các phương pháp phân tích
• Số liệu thÔ

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Sinh Tổng Hợp GABA Từ Cám Gạo

Gamma Aminobutyric Acid (GABA) là một axit amin quan trọng, đóng vai trò như một chất dẫn truyền thần kinh. Nó được xem là một loại thuốc an thần tự nhiên của cơ thể. Khi cơ thể thiếu hụt GABA, có thể dẫn đến lo âu, mất ngủ và các vấn đề sức khỏe khác. Do đó, việc tìm kiếm các nguồn GABA tự nhiên và hiệu quả đang ngày càng được quan tâm. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng cám gạo, một phụ phẩm nông nghiệp giá rẻ và dồi dào tại Việt Nam, để tổng hợp GABA thông qua quá trình lên men bằng vi khuẩn Lactobacillus brevis. Việc tận dụng cám gạo không chỉ làm tăng giá trị của phụ phẩm này mà còn cung cấp một nguồn GABA tiềm năng, góp phần cải thiện sức khỏe cộng đồng. Nghiên cứu này dựa trên công trình của Nguyễn Thị Xuân Nữ (2016) tại Đại học Bách Khoa TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của TS. Lại Quốc Đạt và TS. Trần Thị Ngọc Yên.

1.1. GABA Axit Gamma Aminobutyric và Vai Trò Quan Trọng

GABA (Gamma-aminobutyric acid) là một axit amin phi protein có công thức hóa học C4H9NO2. Nó là một chất dẫn truyền thần kinh ức chế chính trong hệ thần kinh trung ương của động vật có vú. GABA đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh hoạt động của não bộ, giúp giảm căng thẳng, lo âu, cải thiện giấc ngủ và tăng cường sự tập trung. Việc thiếu hụt GABA có thể gây ra các vấn đề về thần kinh như động kinh, co giật và rối loạn tâm thần.

1.2. Tiềm Năng Cám Gạo Nguồn Nguyên Liệu Giá Rẻ Cho GABA

Cám gạo là một phụ phẩm thu được từ quá trình xay xát lúa gạo, chiếm khoảng 10% tổng khối lượng lúa. Tại Việt Nam, cám gạo có nguồn cung dồi dào và giá thành rẻ, nhưng chủ yếu được sử dụng làm thức ăn gia súc. Tuy nhiên, cám gạo chứa nhiều chất dinh dưỡng, bao gồm protein, carbohydrate, lipid, vitamin và khoáng chất, là một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho nhiều ứng dụng, trong đó có việc sản xuất GABA. Việc tận dụng cám gạo để sản xuất GABA không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

II. Thách Thức và Giải Pháp Trong Tổng Hợp GABA Từ Cám Gạo

Mặc dù cám gạo là một nguồn nguyên liệu tiềm năng, việc tổng hợp GABA từ cám gạo cũng đối mặt với nhiều thách thức. Thành phần dinh dưỡng phức tạp của cám gạo đòi hỏi các phương pháp tiền xử lý phù hợp để tối ưu hóa quá trình lên men. Bên cạnh đó, việc lựa chọn chủng vi khuẩn Lactobacillus brevis có khả năng sản xuất GABA cao và tối ưu hóa các điều kiện lên men như nhiệt độ, pH và thời gian cũng là những yếu tố quan trọng cần được xem xét. Nghiên cứu này tập trung vào việc giải quyết những thách thức này thông qua việc khảo sát ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý và bổ sung nguồn nito đến hiệu quả lên men và tổng hợp GABA.

2.1. Tiền Xử Lý Cám Gạo Tối Ưu Hóa Quá Trình Lên Men

Tiền xử lý cám gạo là một bước quan trọng trong quá trình tổng hợp GABA. Mục đích của việc tiền xử lý là phá vỡ cấu trúc phức tạp của cám gạo, giải phóng các chất dinh dưỡng và tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn Lactobacillus brevis phát triển và sản xuất GABA. Các phương pháp tiền xử lý có thể bao gồm thủy phân bằng enzyme (ví dụ: α-amylase, protease), xử lý nhiệt và xử lý hóa học. Việc lựa chọn phương pháp tiền xử lý phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả lên men và hàm lượng GABA thu được.

2.2. Chọn Chủng Lactobacillus Brevis Nâng Cao Hiệu Suất Tổng Hợp GABA

Lactobacillus brevis là một loại vi khuẩn lactic (LAB) có khả năng sản xuất GABA cao. Tuy nhiên, không phải tất cả các chủng Lactobacillus brevis đều có khả năng sản xuất GABA như nhau. Việc lựa chọn chủng Lactobacillus brevis có khả năng sản xuất GABA cao là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất tổng hợp GABA. Các chủng Lactobacillus brevis có thể được phân lập từ các nguồn thực phẩm tự nhiên như rau quả lên men hoặc từ các bộ sưu tập vi sinh vật.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Lên Men Cám Gạo Với Lactobacillus Brevis

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp lên men để tổng hợp GABA từ cám gạo với sự hỗ trợ của vi khuẩn Lactobacillus brevis. Quá trình nghiên cứu bao gồm các bước chính sau: chuẩn bị môi trường cám gạo, tiền xử lý cám gạo bằng enzyme, cấy chủng Lactobacillus brevis, lên men trong điều kiện kiểm soát, và phân tích hàm lượng GABA. Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ enzyme, tỷ lệ enzyme protease (Alcalase:Flavourzyme), và nồng độ peptone đến hiệu quả lên men và tổng hợp GABA.

3.1. Quy Trình Lên Men Chi Tiết Các Bước Thực Hiện

Quy trình lên men trong nghiên cứu này được thực hiện theo các bước sau: (1) Chuẩn bị môi trường cám gạo bằng cách hòa tan cám gạo trong nước và bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết; (2) Tiền xử lý cám gạo bằng enzyme α-amylase và protease để phá vỡ cấu trúc và giải phóng các chất dinh dưỡng; (3) Khử trùng môi trường cám gạo để loại bỏ các vi sinh vật gây ô nhiễm; (4) Cấy chủng Lactobacillus brevis vào môi trường cám gạo; (5) Lên men trong điều kiện kiểm soát (nhiệt độ, pH, thời gian); (6) Thu hoạch sản phẩm lên men và phân tích hàm lượng GABA.

3.2. Phân Tích Hàm Lượng GABA Phương Pháp và Độ Chính Xác

Hàm lượng GABA trong sản phẩm lên men được xác định bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Phương pháp HPLC cho phép phân tách và định lượng các chất khác nhau trong mẫu, đảm bảo độ chính xác và độ nhạy cao. Quy trình phân tích HPLC bao gồm chuẩn bị mẫu, tiêm mẫu vào cột sắc ký, phân tách các chất, phát hiện và định lượng GABA. Các thông số phân tích HPLC như pha động, tốc độ dòng và nhiệt độ cột được tối ưu hóa để đảm bảo kết quả chính xác.

3.3. Tối ưu hóa quá trình lên men bằng phần mềm thống kê

Phần mềm Statgraphics được dùng để thống kê dữ liệu và kiểm tra các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men. Thông qua các phân tích hồi quy, có thể xác định được mối liên hệ giữa các biến số (nhiệt độ, pH, nồng độ enzyme) và hàm lượng GABA cuối cùng. Từ đó, có thể thiết lập các điều kiện tối ưu để đạt hiệu quả lên men cao nhất, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình sản xuất thực tế.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Quả Tổng Hợp GABA Từ Cám Gạo

Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình lên men cám gạo bằng Lactobacillus brevis có khả năng tổng hợp GABA hiệu quả. Tiền xử lý cám gạo bằng enzyme α-amylase và protease giúp tăng hàm lượng GABA đáng kể so với mẫu đối chứng không tiền xử lý. Bổ sung peptone vào môi trường lên men cũng giúp tăng sinh khối vi khuẩn và hàm lượng GABA. Kết quả này khẳng định tiềm năng của cám gạo như một nguồn nguyên liệu cho sản xuất GABA quy mô công nghiệp.

4.1. Ảnh Hưởng Enzyme Tăng Cường Quá Trình Thủy Phân và Tổng Hợp GABA

Việc sử dụng enzyme α-amylase để thủy phân tinh bột trong cám gạo giúp giải phóng glucose, tạo nguồn năng lượng cho vi khuẩn Lactobacillus brevis phát triển. Enzyme protease giúp thủy phân protein, giải phóng các axit amin, đặc biệt là axit glutamic, tiền chất của GABA. Tỷ lệ enzyme Alcalase:Flavourzyme 3:7 cho thấy hiệu quả thủy phân protein tốt nhất, dẫn đến hàm lượng GABA cao nhất sau quá trình lên men.

4.2. Bổ Sung Peptone Cải Thiện Sinh Trưởng Vi Khuẩn và Sản Xuất GABA

Peptone là một nguồn nito hữu cơ phức tạp, cung cấp các axit amin và peptide cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn Lactobacillus brevis. Bổ sung peptone vào môi trường lên men giúp tăng sinh khối vi khuẩn, từ đó tăng cường quá trình tổng hợp GABA. Nồng độ peptone tối ưu là 1.5% (w/v), đạt hàm lượng GABA cao nhất sau 40 giờ lên men.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Tiềm Năng Phát Triển Sản Phẩm GABA

Sản phẩm GABA từ cám gạo có thể được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm chức năng và dược phẩm. GABA được sử dụng để giảm căng thẳng, lo âu, cải thiện giấc ngủ và tăng cường sự tập trung. Sản phẩm GABA có thể được bào chế dưới dạng viên nang, bột, hoặc được bổ sung vào các loại thực phẩm như sữa, nước giải khát và bánh kẹo. Nghiên cứu này mở ra tiềm năng phát triển các sản phẩm GABA có nguồn gốc tự nhiên, an toàn và hiệu quả, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường.

5.1. Thực Phẩm Chức Năng GABA Lợi Ích Sức Khỏe và Thị Trường Tiềm Năng

Thực phẩm chức năng GABA đang ngày càng được ưa chuộng do những lợi ích sức khỏe mà nó mang lại. GABA giúp giảm căng thẳng, lo âu, cải thiện giấc ngủ, tăng cường sự tập trung và có tác dụng bảo vệ thần kinh. Thị trường thực phẩm chức năng GABA đang phát triển mạnh mẽ, với nhiều sản phẩm đa dạng như viên nang, bột, nước uống và thực phẩm bổ sung. Việc sản xuất GABA từ cám gạo có thể giúp giảm chi phí sản xuất và mang lại lợi thế cạnh tranh cho các doanh nghiệp.

5.2. Nghiên Cứu Phát Triển Tối Ưu Quy Trình và Nâng Cao Chất Lượng GABA

Để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển quy trình sản xuất GABA quy mô công nghiệp. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện lên men, cải thiện hiệu suất tổng hợp GABA, và nâng cao chất lượng sản phẩm GABA. Bên cạnh đó, cần nghiên cứu về tính ổn định, khả năng hấp thụ và hiệu quả sinh học của GABA từ cám gạo để đảm bảo an toàn và hiệu quả khi sử dụng.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu GABA Từ Cám Gạo

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của cám gạo như một nguồn nguyên liệu cho sản xuất GABA thông qua quá trình lên men bằng Lactobacillus brevis. Các phương pháp tiền xử lý và bổ sung dinh dưỡng có thể cải thiện đáng kể hiệu quả tổng hợp GABA. Kết quả này mở ra hướng đi mới trong việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng cao, góp phần phát triển ngành công nghiệp thực phẩm chức năng và dược phẩm Việt Nam. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là tối ưu quy trình sản xuất GABA quy mô lớn, nghiên cứu tính ổn định và khả năng ứng dụng của GABA từ cám gạo trong các sản phẩm thực phẩm và dược phẩm.

6.1. Nghiên Cứu Mở Rộng Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng GABA

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tìm hiểu sâu hơn các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng GABA từ cám gạo, bao gồm các chủng Lactobacillus brevis khác nhau, điều kiện lên men tối ưu, và phương pháp bảo quản sản phẩm GABA. Nghiên cứu cũng cần đánh giá tính an toàn và hiệu quả của GABA từ cám gạo trên các đối tượng khác nhau.

6.2. Ứng Dụng Công Nghệ Nâng Cao Hiệu Quả và Giảm Chi Phí Sản Xuất GABA

Việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến như công nghệ enzyme, công nghệ sinh học phân tử và công nghệ thông tin có thể giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất GABA từ cám gạo. Ví dụ, công nghệ enzyme có thể được sử dụng để thủy phân cám gạo hiệu quả hơn, công nghệ sinh học phân tử có thể được sử dụng để cải thiện khả năng sản xuất GABA của Lactobacillus brevis, và công nghệ thông tin có thể được sử dụng để tối ưu hóa quy trình lên men.

Tổng quan nghiên cứu

Cám gạo là phụ phẩm chiếm khoảng 10% trọng lượng hạt lúa sau quá trình xay xát, với sản lượng ước tính hàng năm tại Việt Nam khoảng 4 triệu tấn. Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào, giá thành thấp, nhưng chủ yếu được sử dụng làm thức ăn gia súc, trong khi tiềm năng ứng dụng trong sản xuất thực phẩm và các sản phẩm giá trị gia tăng còn hạn chế. Gamma Aminobutyric Acid (GABA) là một axit amin phi protein có vai trò quan trọng trong hệ thần kinh, được xem như thuốc an thần tự nhiên, có tác dụng hạ huyết áp, lợi tiểu, hỗ trợ điều trị các rối loạn thần kinh và tăng cường sức khỏe. Tuy nhiên, nồng độ GABA trong cơ thể có thể giảm do chế độ ăn uống và môi trường, do đó việc bổ sung GABA qua thực phẩm lên men sinh học là hướng nghiên cứu được quan tâm.

Mục tiêu nghiên cứu là tận dụng nguồn cám gạo tại Việt Nam làm nguyên liệu để sinh tổng hợp GABA bằng vi khuẩn Lactobacillus brevis với sự hỗ trợ của enzyme, nhằm nâng cao giá trị sử dụng của cám gạo và phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng chứa GABA. Nghiên cứu tập trung khảo sát thành phần hóa học của cám gạo ở hai giai đoạn xát và xoa, ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý nguyên liệu bằng enzyme α-amylase và protease đến khả năng lên men sinh tổng hợp GABA, cũng như tác động của nguồn nitơ bổ sung (peptone) đến hiệu suất lên men. Thời gian nghiên cứu chủ yếu trong năm 2015 tại TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi nguyên liệu lấy từ nhà máy xay xát địa phương.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sinh học ứng dụng, góp phần nâng cao giá trị phụ phẩm nông nghiệp, đồng thời cung cấp giải pháp sản xuất GABA hiệu quả, đáp ứng nhu cầu thị trường thực phẩm chức năng và dược phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cơ chế sinh tổng hợp GABA: GABA được tổng hợp chủ yếu qua phản ứng khử carboxyl trực tiếp của axit glutamic bởi enzyme glutamate decarboxylase (GAD). Enzyme này chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như pH, nhiệt độ và sự hiện diện của cofactor pyridoxal 5-phosphate.

• Vai trò của vi khuẩn Lactobacillus brevis: Lb. brevis là vi khuẩn lactic acid có khả năng sinh tổng hợp GABA cao nhờ hoạt động enzyme GAD mạnh mẽ. Chủng này được ứng dụng rộng rãi trong lên men thực phẩm và có tính an toàn cao.

• Ảnh hưởng của enzyme thủy phân: Enzyme α-amylase thủy phân tinh bột thành đường khử, tạo nguồn carbon cho vi sinh vật phát triển. Enzyme protease (Alcalase và Flavourzyme) thủy phân protein thành các axit amin tự do, đặc biệt là axit glutamic, làm tăng cơ chất cho quá trình tổng hợp GABA.

• Khái niệm về quá trình lên men: Quá trình lên men được điều chỉnh bởi các thông số công nghệ như pH, nhiệt độ, tỷ lệ giống, thời gian lên men và nguồn dinh dưỡng bổ sung.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu cám gạo được thu thập từ nhà máy xay xát tại huyện Hóc Môn, TP. Hồ Chí Minh. Vi khuẩn Lb. brevis VTCC-B-397 được phân lập từ cải chua và bảo quản tại Viện Vi sinh vật và Công nghệ Sinh học, Đại học Quốc gia Hà Nội. Enzyme α-amylase (Termamyl®), Alcalase® và Flavourzyme® được sử dụng trong quá trình tiền xử lý.

• Phương pháp phân tích: Thành phần hóa học của cám gạo được xác định gồm độ ẩm, protein tổng, lipit, tinh bột, đường tổng và đường khử, tro tổng. Hàm lượng GABA được định lượng bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Mật độ tế bào vi khuẩn được đánh giá bằng phương pháp đếm khuẩn lạc trực tiếp và đo mật độ quang.

• Thiết kế thí nghiệm: Nghiên cứu gồm các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ enzyme α-amylase (0 - 2% w/v) trong quá trình tiền xử lý cám gạo tách béo, tỷ lệ kết hợp enzyme protease Alcalase:Flavourzyme (0:10 đến 10:0) và nồng độ enzyme protease (0 - 2,5% w/w) đến hiệu quả thủy phân protein. Tiếp đó, khảo sát ảnh hưởng của nguồn nitơ bổ sung (peptone 0 - 1,5% w/v) đến quá trình lên men sinh tổng hợp GABA.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình tiền xử lý enzyme kéo dài 45 phút đến 2 giờ tùy loại enzyme, lên men vi sinh vật thực hiện trong 40 - 48 giờ ở 30°C, pH điều chỉnh 5,0. Mỗi thí nghiệm được lặp lại ba lần để đảm bảo tính chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần hóa học của cám gạo: Cám xát có độ nghiền 6-7% chứa protein khoảng 12,6%, lipit 10-23%, tinh bột dao động 10-55% theo hàm lượng chất khô. Hàm lượng axit glutamic chiếm 14,6-15,0%, là cơ chất quan trọng cho tổng hợp GABA. So với cám xoa (độ nghiền 3%), cám xát có đặc tính phù hợp hơn cho quá trình lên men.

2. Ảnh hưởng của α-amylase trong tiền xử lý: Ở nồng độ 0,15% (v/w), enzyme α-amylase thủy phân tinh bột hiệu quả, làm tăng hàm lượng đường khử và chất khô hòa tan trong dịch cám gạo. Hàm lượng GABA thu được sau lên men tăng lên 6,41 mg/ml, gấp 2,38 lần so với mẫu đối chứng không xử lý enzyme (2,69 mg/ml).

3. Tỷ lệ kết hợp Alcalase:Flavourzyme: Tỷ lệ 3:7 với tổng nồng độ enzyme 2% (w/w) cho hiệu quả thủy phân protein cao nhất, làm tăng hàm lượng axit amin tự do, đặc biệt axit glutamic, đạt 8,43 mg/ml GABA sau 48 giờ lên men, cao hơn so với các tỷ lệ enzyme khác.

4. Ảnh hưởng của nồng độ protease: Nồng độ enzyme protease 1,5% (w/w) tối ưu cho quá trình thủy phân protein, làm tăng hàm lượng axit amin và đường khử, hỗ trợ vi sinh vật phát triển tốt.

5. Tác động của peptone bổ sung: Bổ sung peptone 1,5% (w/v) vào dịch thủy phân cám gạo tách béo giúp tăng mật độ tế bào Lb. brevis và đạt hàm lượng GABA cao nhất 12,15 mg/ml sau 40 giờ lên men, tăng đáng kể so với mẫu không bổ sung.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng cám xát với độ nghiền 6-7% làm nguyên liệu là phù hợp do hàm lượng protein và axit glutamic cao, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển và tổng hợp GABA. Quá trình tiền xử lý bằng enzyme α-amylase làm tăng hàm lượng đường khử, cung cấp nguồn carbon thiết yếu cho vi khuẩn, đồng thời thủy phân liên kết giữa tinh bột và protein, giúp giải phóng protein hòa tan.

Sự kết hợp Alcalase và Flavourzyme trong tỷ lệ 3:7 tối ưu hóa quá trình thủy phân protein, làm tăng hàm lượng axit amin tự do, đặc biệt là axit glutamic – cơ chất trực tiếp cho enzyme GAD của Lb. brevis tổng hợp GABA. Nồng độ enzyme protease 1,5% là mức cân bằng giữa hiệu quả thủy phân và chi phí enzyme.

Việc bổ sung peptone làm nguồn nitơ bổ sung giúp tăng sinh trưởng vi khuẩn và năng suất GABA, phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy peptone là nguồn dinh dưỡng hiệu quả và kinh tế cho quá trình lên men.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên hàm lượng GABA theo thời gian lên men, biểu đồ so sánh hàm lượng GABA giữa các mẫu xử lý enzyme khác nhau, và bảng thống kê thành phần hóa học của cám gạo. So sánh với các nghiên cứu về lên men GABA từ cám lúa mạch và cám lúa mì cho thấy hiệu suất tương đương hoặc cao hơn, khẳng định tiềm năng ứng dụng của cám gạo trong sản xuất GABA.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình tiền xử lý enzyme kết hợp α-amylase và protease: Khuyến nghị sử dụng α-amylase ở nồng độ 0,15% (v/w) và hỗn hợp Alcalase:Flavourzyme tỷ lệ 3:7 với tổng nồng độ 2% (w/w) để tối ưu hóa thủy phân tinh bột và protein, nâng cao hiệu suất sinh tổng hợp GABA. Thời gian xử lý khoảng 45 phút đến 2 giờ, thực hiện tại các cơ sở sản xuất thực phẩm lên men.

2. Bổ sung nguồn nitơ peptone: Đề xuất bổ sung peptone 1,5% (w/v) trong môi trường lên men để tăng mật độ vi khuẩn và hàm lượng GABA, giúp rút ngắn thời gian lên men và tăng năng suất. Thời gian lên men tối ưu là 40 giờ ở 30°C.

3. Sử dụng cám xát với độ nghiền 6-7% làm nguyên liệu chính: Do đặc tính hóa học phù hợp, cám xát nên được ưu tiên sử dụng thay vì cám xoa để đảm bảo hiệu quả lên men và chất lượng sản phẩm.

4. Xây dựng quy trình sản xuất GABA từ cám gạo quy mô công nghiệp: Cần triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô, kiểm soát các thông số công nghệ như pH, nhiệt độ, tỷ lệ giống để đảm bảo ổn định chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ thực phẩm và viện nghiên cứu.

5. Phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng chứa GABA: Khuyến khích phối hợp với các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp để phát triển các sản phẩm như nước uống lên men, bột dinh dưỡng từ cám gạo giàu GABA, đáp ứng nhu cầu thị trường trong và ngoài nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về sinh tổng hợp GABA từ nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm lên men và thực phẩm chức năng: Thông tin về quy trình tiền xử lý enzyme và lên men vi sinh vật giúp tối ưu hóa công nghệ sản xuất GABA, nâng cao giá trị sản phẩm và mở rộng thị trường.

3. Cơ quan quản lý và phát triển nông nghiệp: Nghiên cứu góp phần thúc đẩy tái sử dụng phụ phẩm cám gạo, giảm lãng phí tài nguyên, đồng thời phát triển ngành công nghiệp chế biến nông sản bền vững.

4. Người tiêu dùng và chuyên gia dinh dưỡng: Hiểu rõ về lợi ích sức khỏe của GABA và nguồn gốc sản phẩm từ cám gạo lên men, giúp lựa chọn thực phẩm chức năng phù hợp, nâng cao nhận thức về dinh dưỡng.

Câu hỏi thường gặp

1. GABA là gì và tại sao cần bổ sung qua thực phẩm?
   GABA là axit amin phi protein đóng vai trò chất dẫn truyền thần kinh, giúp an thần, hạ huyết áp và hỗ trợ điều trị các rối loạn thần kinh. Do chế độ ăn và môi trường có thể làm giảm nồng độ GABA trong cơ thể, việc bổ sung qua thực phẩm lên men giúp duy trì sức khỏe.

2. Tại sao chọn cám gạo làm nguyên liệu sản xuất GABA?
   Cám gạo là phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, giá rẻ, giàu protein và axit glutamic – cơ chất quan trọng cho tổng hợp GABA. Việc sử dụng cám gạo giúp tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giảm chi phí và tăng giá trị sản phẩm.

3. Vai trò của enzyme α-amylase và protease trong quá trình lên men?
   α-amylase thủy phân tinh bột thành đường khử cung cấp nguồn carbon cho vi sinh vật phát triển. Protease thủy phân protein thành axit amin tự do, đặc biệt axit glutamic, làm tăng cơ chất cho enzyme GAD tổng hợp GABA, từ đó nâng cao hiệu suất lên men.

4. Lactobacillus brevis có ưu điểm gì trong sản xuất GABA?
   Lb. brevis có khả năng sinh enzyme GAD cao, lên men hiệu quả, an toàn cho người sử dụng và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm lên men, giúp sản xuất GABA với năng suất cao.

5. Thời gian và điều kiện lên men tối ưu để sản xuất GABA là gì?
   Thời gian lên men khoảng 40-48 giờ, nhiệt độ 30°C, pH điều chỉnh khoảng 5,0, bổ sung peptone 1,5% giúp vi sinh vật phát triển tốt và đạt hàm lượng GABA cao nhất trong môi trường cám gạo tách béo.

Kết luận

• Cám gạo xát với độ nghiền 6-7% là nguyên liệu phù hợp cho quá trình sinh tổng hợp GABA nhờ hàm lượng protein và axit glutamic cao.
• Tiền xử lý bằng enzyme α-amylase (0,15% w/v) và hỗn hợp protease Alcalase:Flavourzyme (3:7, 2% w/w) tối ưu hóa thủy phân tinh bột và protein, tăng cơ chất cho vi sinh vật.
• Bổ sung peptone 1,5% (w/v) trong môi trường lên men giúp tăng mật độ vi khuẩn Lb. brevis và hàm lượng GABA đạt 12,15 mg/ml sau 40 giờ.
• Quy trình nghiên cứu có thể áp dụng mở rộng quy mô sản xuất công nghiệp, góp phần nâng cao giá trị phụ phẩm cám gạo và phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng.
• Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu tối ưu các thông số công nghệ và phát triển sản phẩm thương mại chứa GABA từ cám gạo lên men.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đánh giá tính ổn định và chất lượng sản phẩm, đồng thời phối hợp với doanh nghiệp để phát triển thị trường thực phẩm chức năng giàu GABA.