Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Thu Nhận Enzyme Invertase Từ Bã Nấm Men Bia Bằng Phương Pháp Siêu Âm

• Tác giả: Đào An Quang
• Người hướng dẫn: Trần Bích Lam
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm & đồ uống
• Đề tài: Nghiên cứu thu nhận enzyme invertase từ bã nấm men bia bằng phương pháp siêu âm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. HCM

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Enzyme invertase
• 2.1.1. Tổng quan
• 2.1.2. Đặc tính của Invertase trong tế bào nấm men
• 2.1.3. Các nguồn thu nhận Invertase
• 2.1.4. Các nghiên cứu về thu nhận enzyme Invertase
• 2.2. Tổng quát về sóng siêu âm
• 2.2.1. Định nghĩa
• 2.2.2. Các đại lượng đặc trưng của sóng siêu âm

I. Giới thiệu về enzyme invertase

Enzyme invertase, còn được gọi là B-fructofuranosidase, là một enzyme quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Nó xúc tác cho phản ứng thủy phân đường saccharose thành glucose và fructose, tạo ra đường nghịch đảo. Đường nghịch đảo có nhiều ưu điểm hơn so với đường sucrose, đặc biệt trong sản xuất bánh kẹo và nước giải khát. Tuy nhiên, hiện nay, Việt Nam chưa sản xuất được enzyme này ở quy mô công nghiệp, dẫn đến việc phải nhập khẩu từ nước ngoài, làm tăng chi phí sản xuất. Bã nấm men bia, một sản phẩm phụ từ ngành công nghiệp bia, chứa một lượng lớn enzyme invertase, có thể được thu nhận và tái sử dụng, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả kinh tế.

1.1. Tầm quan trọng của enzyme invertase

Enzyme invertase có vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Nó không chỉ giúp chuyển hóa đường saccharose thành glucose và fructose mà còn có khả năng xúc tác cho các phản ứng chuyển vị. Việc thu nhận enzyme này từ bã nấm men bia không chỉ giúp tái sử dụng nguồn phế phẩm mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị, giảm thiểu chi phí sản xuất cho ngành công nghiệp thực phẩm.

II. Phương pháp thu nhận enzyme invertase

Nghiên cứu này tập trung vào việc thu nhận enzyme invertase từ bã nấm men bia bằng phương pháp siêu âm. Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả trong việc phá vỡ tế bào nấm men, giúp giải phóng enzyme vào dung dịch. Các yếu tố như tỷ lệ nấm men, công suất siêu âm và thời gian xử lý được khảo sát để tối ưu hóa quá trình thu nhận. Kết quả cho thấy, hoạt tính enzyme đạt cao nhất khi sử dụng tỷ lệ nấm men 42%, công suất siêu âm 250W và thời gian xử lý 8 phút, với hoạt tính invertase đạt 20,54 [U/mg protein].

2.1. Tối ưu hóa điều kiện thu nhận

Quá trình tối ưu hóa điều kiện thu nhận enzyme invertase từ bã nấm men bia là rất quan trọng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh tỷ lệ nấm men và công suất siêu âm có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính enzyme. Việc sử dụng sóng siêu âm không chỉ giúp tăng hiệu suất thu nhận mà còn rút ngắn thời gian xử lý, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho quá trình sản xuất enzyme.

III. Đặc tính của enzyme invertase thu nhận

Sau khi thu nhận, enzyme invertase thô cần được khảo sát về các đặc tính như hoạt tính, độ ổn định và khả năng ứng dụng. Nghiên cứu cho thấy enzyme invertase thu nhận từ bã nấm men bia có hoạt tính cao và ổn định trong khoảng pH từ 4.0 đến 5.5, với nhiệt độ tối ưu khoảng 55°C. Điều này cho thấy enzyme có thể được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong sản xuất bánh kẹo và nước giải khát.

3.1. Ứng dụng thực tiễn của enzyme invertase

Enzyme invertase thu nhận từ bã nấm men bia có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tiễn. Nó không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Việc sử dụng enzyme này trong sản xuất thực phẩm không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc tái sử dụng nguồn phế phẩm từ ngành công nghiệp bia.

Tổng quan nghiên cứu

Enzyme invertase đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm, đặc biệt trong việc thủy phân đường sucrose thành glucose và fructose, tạo ra đường nghịch đảo có nhiều ưu điểm trong sản xuất bánh kẹo và nước giải khát. Tại Việt Nam, enzyme invertase chủ yếu được nhập khẩu, gây tăng chi phí sản xuất. Ngành công nghiệp bia trong nước hàng năm thải ra lượng lớn bã nắm men bia, trung bình 2 lít bã nắm men cho mỗi 100 lít bia sản xuất, với tổng công suất trên 800 triệu lít bia mỗi năm từ hơn 320 nhà máy. Bã nắm men bia chứa enzyme invertase có thể được thu nhận lại, góp phần tái sử dụng phế phẩm, giảm ô nhiễm môi trường và phát triển quy trình sản xuất enzyme trong nước.

Luận văn tập trung nghiên cứu thu nhận enzyme invertase từ bã nắm men bia Saccharomyces carlsbergensis bằng phương pháp siêu âm, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu nhận và tối ưu hóa điều kiện thu nhận enzyme thô. Nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả thu nhận enzyme invertase, giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường, đồng thời mở ra hướng phát triển công nghệ enzyme trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống.

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:

• Lý thuyết enzyme invertase: Invertase (EC 3.2.1.26) xúc tác thủy phân đường sucrose thành glucose và fructose, hoạt động hiệu quả trong khoảng pH 3.5–5.5 với pH tối ưu 4.5 và nhiệt độ tối ưu khoảng 55°C. Enzyme tồn tại trong tế bào nấm men dưới dạng phức hợp glycoprotein, có dạng nội bào và ngoại bào với khối lượng phân tử khác nhau.

• Hiện tượng sủi bóng (cavitation) trong siêu âm: Sóng siêu âm tần số 20 kHz tạo ra các bong bóng khí trong dung dịch, khi bong bóng vỡ sẽ sinh ra nhiệt độ và áp suất cao cục bộ, phá vỡ tế bào nấm men, giải phóng enzyme invertase.

• Mô hình tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM): Phương pháp thống kê dùng để xây dựng mô hình toán học mô tả ảnh hưởng của các yếu tố độc lập (tỷ lệ nắm men/dung môi, công suất siêu âm, thời gian siêu âm) đến hoạt tính enzyme, từ đó tìm ra điều kiện tối ưu.

Các khái niệm chính bao gồm: hoạt tính enzyme (U/mg protein), hoạt tính tổng enzyme (UI), tỷ lệ nắm men/dung môi (% w/w), công suất siêu âm (W), thời gian xử lý siêu âm (phút).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu là bã nắm men bia Saccharomyces carlsbergensis lấy từ nhà máy bia Sài Gòn – Bình Dương, bảo quản lạnh 0-5°C. Thiết bị chính gồm máy phát siêu âm SONICS 750-Watt (tần số 20 kHz), máy ly tâm Hermale Z206A và Rotofix 32A, máy sấy thăng hoa EYBA FD-2100.

• Phương pháp phân tích: Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố độc lập (tỷ lệ nắm men/dung môi, thời gian siêu âm, công suất siêu âm) theo mô hình thí nghiệm hoàn toàn ngẫu nhiên, mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần. Tối ưu hóa điều kiện thu nhận enzyme bằng phương pháp bề mặt đáp ứng với thiết kế quay bậc 2 có tâm, tổng số 17 nghiệm thức.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, gồm các giai đoạn làm sạch nguyên liệu, xử lý siêu âm, ly tâm tách enzyme, kết tủa và sấy thăng hoa enzyme thô, khảo sát đặc tính enzyme và phân tích dữ liệu.

• Phân tích số liệu: Sử dụng phần mềm Modde 5.0 và Statgraphics Centurion XV để xử lý số liệu, phân tích phương sai (ANOVA) và xây dựng mô hình hồi quy đa thức bậc hai.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nắm men/dung môi: Hoạt tính riêng enzyme invertase đạt cao nhất ở tỷ lệ 40% (w/w) với giá trị 20,9 U/mg protein, hoạt tính tổng enzyme đạt 1053,36 UI. Khi tỷ lệ tăng lên 50% và 60%, hoạt tính riêng giảm xuống lần lượt 20,47 và 14,84 U/mg protein, hoạt tính tổng cũng giảm. Điều này cho thấy mật độ tế bào quá cao làm hạn chế hiệu quả phá vỡ tế bào bằng siêu âm.

2. Ảnh hưởng của thời gian xử lý siêu âm: Thời gian siêu âm 6 phút cho hoạt tính riêng enzyme cao nhất 19,49 U/mg protein và hoạt tính tổng 1267,4 UI. Khi tăng thời gian lên 12 phút, hoạt tính riêng giảm còn 18,03 U/mg protein, hoạt tính tổng tăng nhẹ lên 1555,11 UI. Kéo dài thời gian siêu âm gây tổn thương cấu trúc protein enzyme, làm giảm hoạt tính.

3. Ảnh hưởng của công suất siêu âm: Công suất 262,5 W là mức tối ưu, đạt hoạt tính riêng 20,37 U/mg protein và hoạt tính tổng 1192,4 UI. Công suất cao hơn 300 W làm giảm hoạt tính riêng xuống 19,67 U/mg protein do tác động phá hủy cấu trúc enzyme.

4. Điều kiện tối ưu thu nhận enzyme: Tỷ lệ nắm men/dung môi 42%, công suất siêu âm 250 W, thời gian siêu âm 8 phút cho hoạt tính invertase cao nhất 20,54 U/mg protein.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sóng siêu âm là phương pháp hiệu quả để phá vỡ tế bào nấm men bia, giải phóng enzyme invertase với thời gian xử lý ngắn hơn nhiều so với phương pháp tự phân truyền thống (6 phút so với 50 giờ). Hiện tượng sủi bóng khí tạo ra áp suất và nhiệt độ cao cục bộ giúp phá vỡ thành tế bào, đồng thời tạo ra các gốc tự do hỗ trợ quá trình giải phóng enzyme.

So sánh với các nghiên cứu trước, công suất siêu âm tối ưu trong khoảng 200-262,5 W phù hợp với kết quả của Marques và cộng sự (2006). Việc tăng tỷ lệ nắm men quá cao làm giảm hiệu quả do hiện tượng dày đặc tế bào cản trở sóng siêu âm. Thời gian xử lý quá dài và công suất quá cao gây tổn thương cấu trúc enzyme, làm giảm hoạt tính.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố (tỷ lệ nắm men, thời gian, công suất) với hoạt tính enzyme, giúp trực quan hóa điểm tối ưu và xu hướng giảm hoạt tính khi vượt quá ngưỡng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình siêu âm với điều kiện tối ưu: Tỷ lệ nắm men/dung môi 42%, công suất 250 W, thời gian 8 phút để thu nhận enzyme invertase thô với hiệu quả cao, giảm thời gian và chi phí sản xuất. Chủ thể thực hiện: các nhà máy bia và cơ sở sản xuất enzyme trong vòng 6 tháng.

2. Xây dựng dây chuyền thu nhận enzyme từ bã nắm men bia quy mô công nghiệp: Tận dụng nguồn nguyên liệu phế phẩm, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và tăng giá trị kinh tế. Thời gian triển khai dự kiến 1-2 năm, chủ thể: doanh nghiệp công nghệ thực phẩm và viện nghiên cứu.

3. Nghiên cứu sâu hơn về tinh sạch và ứng dụng enzyme invertase thu nhận: Phát triển các công nghệ tinh sạch enzyme để nâng cao độ tinh khiết và hoạt tính, phục vụ sản xuất bánh kẹo và nước giải khát trong nước. Thời gian 1 năm, chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và trường đại học.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ siêu âm trong thu nhận enzyme: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật siêu âm và quy trình thu nhận enzyme cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp. Thời gian 6 tháng, chủ thể: trường đại học và các tổ chức đào tạo chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thực phẩm: Nắm bắt phương pháp thu nhận enzyme invertase bằng siêu âm, áp dụng trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm enzyme.

2. Doanh nghiệp sản xuất bia và chế biến thực phẩm: Tận dụng phế phẩm bã nắm men bia để thu nhận enzyme, giảm chi phí nguyên liệu và xử lý môi trường.

3. Các viện nghiên cứu và trung tâm công nghệ sinh học: Phát triển quy trình công nghệ enzyme, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và đồ uống.

4. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Tham khảo giải pháp tái sử dụng phế phẩm công nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm và thúc đẩy sản xuất sạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp siêu âm có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống trong thu nhận enzyme invertase?
   Phương pháp siêu âm rút ngắn thời gian thu nhận enzyme từ khoảng 50 giờ (tự phân) xuống còn 6-8 phút, tăng hiệu suất giải phóng enzyme nhờ hiện tượng sủi bóng khí phá vỡ tế bào nhanh chóng, đồng thời giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.

2. Điều kiện tối ưu để thu nhận enzyme invertase bằng siêu âm là gì?
   Tỷ lệ nắm men/dung môi 42% (w/w), công suất siêu âm 250 W, thời gian xử lý 8 phút cho hoạt tính enzyme cao nhất khoảng 20,54 U/mg protein.

3. Tại sao tăng tỷ lệ nắm men quá cao lại làm giảm hiệu quả thu nhận enzyme?
   Khi tỷ lệ nắm men quá cao, dung dịch trở nên đặc, sóng siêu âm khó xuyên qua và phá vỡ tế bào hiệu quả, dẫn đến giảm lượng enzyme giải phóng.

4. Siêu âm có ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc enzyme invertase?
   Siêu âm công suất cao hoặc thời gian xử lý dài có thể gây tổn thương cấu trúc protein enzyme, làm giảm hoạt tính enzyme do phá vỡ liên kết bậc ba và bậc bốn của protein.

5. Enzyme invertase thu nhận có thể ứng dụng trong ngành nào?
   Enzyme invertase được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất bánh kẹo, nước giải khát, thủy phân đường sucrose để tạo đường nghịch đảo, cải thiện chất lượng và hương vị sản phẩm.

Kết luận

• Đã xác định được điều kiện tối ưu thu nhận enzyme invertase từ bã nắm men bia bằng phương pháp siêu âm: tỷ lệ nắm men/dung môi 42%, công suất 250 W, thời gian 8 phút, đạt hoạt tính 20,54 U/mg protein.
• Phương pháp siêu âm giúp rút ngắn thời gian thu nhận enzyme đáng kể so với phương pháp tự phân truyền thống.
• Tăng tỷ lệ nắm men, công suất hoặc thời gian siêu âm vượt mức tối ưu làm giảm hoạt tính enzyme do tổn thương cấu trúc protein.
• Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ enzyme trong nước, tận dụng phế phẩm ngành bia, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.
• Đề xuất triển khai ứng dụng quy trình thu nhận enzyme siêu âm trong sản xuất công nghiệp và nghiên cứu tinh sạch enzyme tiếp theo.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai quy trình thu nhận enzyme siêu âm, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng enzyme invertase trong sản xuất thực phẩm và đồ uống.