ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với sự phát triển của thế giới, các sản phẩm từ amino acid được quan tâm với khả năng ứng dụng ngày càng lớn. Theo xu hướng phát triển đó, glutamic acid (Glu) là một amino acid được sử dụng phổ biến trong ngành thực phẩm, dược phẩm và thức ăn chăn nuôi. Trong lĩnh vực thực phẩm, Glu là tiền chất quan trọng của Monosodium Glutamate (MSG) hay bột ngọt với vai trò là nguyên liệu chính để sản xuất MSG. Đã có một số nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của Alanine (Ala) đến sự kết tinh glutamic acid, đặc biệt là các nghiên cứu tập trung khảo sát về quá trình chuyển dạng tinh thể khi có mặt Ala.
Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn chưa khảo sát sự ảnh hưởng của Ala đến quá trình kết tinh glutamic acid cũng như ảnh hưởng đến hiệu suất li tâm sản phẩm từ hỗn hợp huyền phù. Mặt khác, Ala được chứng minh có vai trò như một chất kích thích sự phát triển kích thước tinh thể MSG. Trong quy trình sản xuất MSG, Glu được kết tinh từ dung dịch và ly tâm. Do đó, nó có cũng có tiềm năng kích thích sự phát triển kích thước tinh thể Glu giúp nâng cao hiệu suất sản xuất.
Đối với quy trình sản xuất bột ngọt (MSG), Ala thêm vào quy trình sản xuất và trở thành tạp chất trong sản phẩm cuối nên cần phải được được kiểm soát chặt chẽ để đạt tiêu chuẩn về giới hạn hàm lượng. Bên cạnh đó, nồng độ Ala trong các sản phẩm trung gian cũng cần được theo dõi định kỳ để điều chỉnh kịp thời nhằm đạt được mục tiêu sản xuất. Như vậy, nhu cầu phân tích hàm lượng Ala trong các mẫu sản xuất là rất lớn. Hiện tại doanh nghiệp chưa có phương pháp nội bộ để phân tích hàm lượng Ala trong các mẫu thử, cần phải định kỳ gửi mẫu phân tích ở các trung tâm phân tích bên ngoài, điều này gây tốn chi phí lớn cho doanh nghiệp và thời gian chờ kết quả gây khó khăn trong việc theo dõi quy trình sản xuất cũng như kiểm soát chất lượng sản phẩm.
Hơn nữa, phương pháp được các trung tâm này áp dụng hiện tại chỉ phân tích được hàm lượng Ala tổng, không phân tách được các đồng phân quang học. Việc xác định chính xác hàm lượng của các đồng phân quang học này có ảnh hưởng lớn đến các điểm kiểm soát trong quy trình sản xuất.1 Tổng quan về Glutamic acid 1.1 Cấu trúc hóa học Glutamic acid là một a-amino acid có công thức hóa học C5H9O4N.1: Cấu tạo phân tử glutamic acid Cũng như hầu hết các amino acid khác (trừ glycine), glutamic acid cũng có hai đồng phân là L-Glutamic acid và D-Glutamic acid. Thông thường chỉ tìm thấy đồng phân L- trong tế bào, đồng phân D- được tìm thấy trong thành tế bào của một số loại vi khuẩn và trong tế bào gan [1]. Tính chất hóa lý Khối lượng phân tử: 147,14 g/mol Khối lượng riêng: 1,4601 g/mL (20oC) Điểm nóng chảy: 199 °C Độ hòa tan trong nước: 0,84 g/100g (25oC), tan tốt trong nước, tan kém trong ethanol 0.
Góc quay cực riêng: +46,8o (5M HCl) [2]. Điểm đẳng điện: pH 3,24 [2].3 Ứng dụng và vai trò của glutamic acid a) Ứng dụng Glutamic acid là amino acid đầu tiên được sản xuất ở quy mô công nghiệp vì khả năng làm tăng hương vị của nó, bản thân nó được sử dụng như một chất điều vị tự nhiên và là nguyên liệu chính để sản xuất bột ngọt. Bột ngọt là muối mono natri của glutamic acid, thường gặp dưới dạng bột hoặc tinh thể màu trắng ngậm một phân tử 2 nước, đây là chất điều vị phổ biến và có giá trị trong ngành công nghiệp thực phẩm, trong nấu nướng thức ăn hằng ngày đặc biệt là trong ẩm thức ở các nước châu Á [2]. Theo đó, glutamic acid được phân lập từ các nguồn dồi dào glalidin như lúa mì (có 47.2: Sản lượng các amino acid (đơn vị: nghìn tấn) [3].
b) Vai trò sinh học Glutamic acid rất cần thiết cho sự sống, đóng vai trò quan trọng trong sự trao đổi chất ở người và động vật, trong việc xây dựng protid và xây dựng cấu trúc của tế bào [4]. Trong sinh lý cơ thể, glutamic acid có thể tham gia vào cơ chế tổng hợp nên các amino acid khác như alanine, cysteine, proline,… nó có thể phản ứng chuyển amine, giúp cho cơ thể tiêu hóa nhóm amine và tách NH3 ra khỏi cơ thể [2]. Glutamic acid là thành phần chủ yếu của protid và phần xám của não, có vai trò quan trọng trong các biến đổi sinh hóa ở hệ thần kinh trung ương. Nhờ những khả năng đó, trong y học còn sử dụng nó để điều trị các trường hợp suy nhược thần kinh nặng, mệt mỏi, mất trí nhớ, nhiễm độc NH3, các bệnh về tim và cơ bắp [5].
L-Glu còn được dùng làm thuốc chữa các bệnh thần kinh và tâm thần, bệnh chậm phát triển trí óc ở trẻ em, bệnh bại liệt và hôn mê gan [6]. 3 Trong công nghiệp, L-Glu là nguyên liệu đầu để tổng hợp một số hóa chất quan trọng như: N-acetylglutamate là chất hoạt động bề mặt vi sinh vật phân giải được, dùng rộng rãi trong công nghiệp mỹ phẩm như xà phòng và dầu gội đầu. Oxopyrolidin carboxylic acid là một dẫn xuất khác của glutamic acid làm chất giữ ẩm trong mỹ phẩm. Acetylglutamate được dùng trong xử lý ô nhiễm nước biển do sự cố tràn dầu hỏa và dầu thực vật gây ra [7].
L-Glutamic acid phân bổ rộng rãi trong tự nhiên dưới dạng tự do và dạng hợp chất, có trong thành phần cấu tạo của protein động thực vật. Trong mô, L-Glu được tạo thành từ NH3 và a-xetoglutaric acid. Trong sinh vật, đặc biệt là trong vi sinh vật, L-Glu được tạo thành theo con đường lên men từ nhiều nguồn carbon [7].4 Phương pháp sản xuất Glutamic acid Có nhiều phương pháp sản xuất glutamic acid khác nhau, hiện có 4 phương pháp phổ biến như sau: a) Phương pháp tổng hợp Ứng dụng các phản ứng tổng hợp hóa học để tạo ra glutamic acid cũng như các amino acid khác từ khí khải của công nghiệp dầu hỏa hoặc các ngành công nghiệp khác. - Ưu điểm: sử dụng các nguồn nguyên liệu không phải thực phẩm để sản xuất và tận dụng được các phụ phẩm của những ngành công nghiệp khác.
- Nhược điểm: chỉ thực hiện được ở những quốc gia có nền công nghiệp phát triển kỹ thuật cao. Bên cạnh đó, sản xuất bằng phương pháp hóa học có thể tạo ra một hỗn hợp gồm L-Glu và D-Glu và việc tách L-Glu khó khăn dẫn đến tăng chi phí sản xuất và giá thành của sản phẩm [8]. b) Phương pháp thủy phân protid Phương pháp này sử dụng hóa chất như những tác nhân xúc tác để thủy phân một nguồn nguyên liệu giàu protid (khô đậu, khô lạc,…) tạo ra một hỗn hợp amino acid, từ đó tách glutamic acid [9]. 4 Quá trình này có thể tóm tắt như sau: gluten của bột mì được thủy phản bằng axit HCl để giải phóng ra tất cả các axit amin ở 150oC.
Tiếp theo, dịch thuỷ phân sẽ được lọc, cô đặc và giữ ở nhiệt độ thấp để làm giảm độ tan của chất tan, từ đó các hạt tinh thể kết tinh của hydroclorat plutamic nami quả bão hòa sẽ dân đần được tạo thành. Những tinh thể này sẽ được lọc để tách riêng và sau đó được hòa tan trong nước. Dung dịch này sẽ được trung hòa bằng Na2CO3, cho tới pH = 3,2 (pH đẳng điện), ở pH này tinh thể glutamic acid sẽ kết tinh ra khỏi dung dịch và được tách riêng bàng phương pháp ly tâm [10]. - Ưu điểm: Dễ khống chế quy trình sản xuất và áp dụng được vào các cơ sở thủ công, bán cơ giới, cơ giới dễ dàng.
- Nhược điểm: + Cần phải sử dụng nguyên liệu giàu protid, hiếm và đắt. + Tiêu tốn nhiều hoá chất và cần sử dụng các loại thiết bị chống ăn mòn. + Hiệu suất thấp, đưa đến giá thành cao. c) Phương pháp lên men Phương pháp này sử dụng một số vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp ra các amino acid từ các nguồn carbohydrate và đạm vô cơ.
Phương pháp này đang có nhiều triển vọng phát triển ở khắp các nước, nó tạo ra được nhiều loại amino acid như: glutamic acid, lysine, alanine, tryptophan,…. Phương pháp lên men có nguồn gốc từ Nhật Bản vào năm 1956 khi mà Shukuo và Kinoshita sử dụng môi trường có chứa glucoza và amoniac để sản xuất glutamate từ chủng Micrococcus glutamicus. Sau đó, cùng với sự phát triển của công nghệ vi sinh, một số loài vi sinh vật khác cũng được sử dụng như Brevibacterium và Microbacterium [11]. Những loài vi khuẩn được sử dụng đều có một số đặc điểm sau: + Hình dạng tế bào từ hình cầu đến hình que ngắn; + Vi khuẩn Gram (+); + Hô hấp hiếu khí; + Không tạo bào tử; 5 + Không chuyển động được, không có tiên mao; + Yếu tố cần thiết cho sinh trưởng và phát triển là Biotin; + Tích tụ một lượng lớn glutamic từ carbohydrate và NH4+, trong môi trường có sục không khí.
- Ưu điểm: + Không sử dụng trực tiếp nguyên liệu protid; + Không cần sử dụng nhiều hóa chất và thiết bị chịu ăn mòn; + Hiệu suất cao, chi phí sản xuất thấp; + Tạo được glutamic acid dạng L-, có hoạt tính sinh học cao. Sản lượng L-Glu sản xuất bằng phương pháp lên men trực tiếp là khoảng 370 nghìn tấn/năm [12]. Phân khúc ứng dụng thực phẩm và đồ uống thống trị thị trường glutamic acid với tỷ lệ doanh thu hơn 80% vào năm 2020. Điều này là do việc sử dụng ngày càng nhiều axit glutamic trong ngành thực phẩm và đồ uống như một chất điều vị.
Một số công ty lớn trong thị trường Glutamic acid gồm Ajinomoto Co., Evonik Industries AG, Sichuan Tongsheng Amino acid Co., Global Bio-chem Technology Group Company Limited, and Ningxia Yipin Biological Technology Co. Nhu cầu thức ăn chăn nuôi ngày càng tăng, cùng với việc sử dụng ngày càng nhiều phụ gia thực phẩm và chất tăng cường thực phẩm trong ngành thực phẩm và đồ uống, được ước tính sẽ thúc đẩy tăng trưởng thị trường glutamic acid [12].5 Những nghiên cứu về quá trình kết tinh Glutamic acid Nhóm nghiên cứu của Zhi-hua Li, Cheng-lin Zhang and Qing-yang Xu đã khảo sát quá trình kết tinh L-Glu trong phòng thí nghiệm với kết quả cho thấy điều kiện kết tinh L-Glu phù hợp là: tốc độ khuấy 200 vòng/phút, thời gian siêu âm 10 phút, tốc độ thêm acid 0. Nghiên cứu cũng chỉ ra, với các điều kiện phù hợp trên thì hiệu suất kết tinh đạt 95.5% so với các nghiên cứu trước), độ tinh khiết của L-Glu trên 99% (cao hơn 4% so với các nghiên cứu trước) [13].