Nghiên cứu sản xuất đường Erythritol từ nấm men Moniliella tại Việt Nam

Luận văn nghiên cứu quy trình sản xuất đường erythritol từ nấm men Moniliella. Trình bày phương pháp lên men, tinh sạch và ứng dụng của sản phẩm.

• Tác giả: Nguyễn Thị Ánh Thao
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Đức Mạnh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm
• Đề tài: Nghiên cứu Sản xuất Đường Erythritol từ Nấm men Moniliella Phân lập tại Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Đặc điểm và cấu tạo đường Erythritol

Đường erythritol là một loại chất ngọt tự nhiên được phân loại là polyol (đường cồn), có cấu trúc phân tử gồm bốn nguyên tử carbon với các nhóm hydroxyl. Đây là sản phẩm được sinh tổng hợp từ quá trình lên men của nấm men Moniliella, một chủng vi sinh vật đặc biệt có khả năng biến đổi glucose thành erythritol. So với các chất ngọt khác, erythritol có lợi thế vượt trội vì nó chứa gần như không chứa calo, không gây sâu răng và có tính chất ổn định cao trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Những tính chất này làm cho sản xuất đường erythritol trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghiệp thực phẩm hiện đại, đặc biệt là ở các nước phát triển và đang phát triển như Việt Nam.

1.1. Cấu trúc hóa học của erythritol

Erythritol là một tetritol có công thức phân tử C₄H₁₀O₄, với khối lượng phân tử 122 g/mol. Cấu trúc phân tử của nó gồm một chuỗi carbon tuyến tính với bốn nhóm hydroxyl gắn liền. Đây là một cấu trúc hóa học độc đáo giúp erythritol có khả năng hòa tan cao trong nước và thể hiện tính chất ngọt tương đương 70% so với đường saccharose thông thường, nhưng chỉ chứa 0,2 calo trên gram.

1.2. Tính chất vật lý và hoá học

Đường erythritol là một tinh thể trắng, không mùi, có tính chất ổn định cao trong các điều kiện lưu trữ thông thường. Nó có độ tan cao trong nước, thường được sử dụng dưới dạng dung dịch nước hoặc tinh thể khô. Tính chất không fermentable của erythritol có nghĩa là nó không bị phân hủy bởi vi khuẩn miệng, góp phần bảo vệ sức khỏe răng và là lựa chọn tốt cho các sản phẩm chăm sóc sức khỏe.

II. Nấm men Moniliella và khả năng sinh tổng hợp erythritol

Nấm men Moniliella là một chủng vi sinh vật đặc biệt được phân lập từ tự nhiên ở Việt Nam, có khả năng sinh tổng hợp đường erythritol thông qua quá trình lên men từ các nguồn carbon như glucose. Đây là một nấm men đen (melanin-producing yeast) với những đặc điểm sinh học và sinh hóa đặc thù, làm cho nó trở thành lựa chọn tối ưu cho công nghiệp sản xuất erythritol. Sử dụng nấm men Moniliella mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp sản xuất hóa học truyền thống, bao gồm hiệu suất cao, chi phí thấp, và tính bền vững môi trường. Các nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Hà Nội đã chứng minh rằng sàng lọc các chủng Moniliella phân lập tại Việt Nam có thể đạt được năng suất cao trong sản xuất erythritol quy mô công nghiệp.

2.1. Đặc điểm sinh học của nấm men Moniliella

Nấm men Moniliella được biết đến với khả năng sản sinh melanin, một sắc tố đen tự nhiên bảo vệ tế bào khỏi các điều kiện căng thẳng. Chủng nấm men này có hình thái khuẩn lạc đặc trưng với màu đen hoặc nâu sẫm, và tế bào có kích thước tương đối nhỏ. Đặc tính sinh lý, sinh hóa của Moniliella cho phép nó thích nghi tốt với các điều kiện lên men khác nhau, từ pH, nhiệt độ đến tốc độ khuấy lắc, tạo nên một vi sinh vật lý tưởng cho ứng dụng công nghiệp.

2.2. Ưu điểm trong sản xuất erythritol

Ưu điểm chính của nấm men Moniliella trong sản xuất đường erythritol bao gồm: khả năng chuyển hóa glucose thành erythritol với hiệu suất cao (lên tới 50-60% khối lượng), tốc độ lên men nhanh (7-10 ngày), và khả năng sinh tổng hợp từ các nguồn carbon rẻ tiền như dịch glucose từ tinh bột sắn. Ngoài ra, quá trình lên men bằng Moniliella không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại như các phương pháp hóa học, đảm bảo an toàn thực phẩm và tính bền vững sinh thái.

III. Quy trình công nghệ sản xuất erythritol từ Moniliella

Quy trình sản xuất đường erythritol từ nấm men Moniliella bao gồm nhiều bước quan trọng, bắt đầu từ chuẩn bị môi trường lên men cho đến thu hồi và tinh chế sản phẩm cuối cùng. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men như nhiệt độ, pH, tỷ lệ cao nấm men, hàm lượng glucose, tốc độ khuấy lắc cần được kiểm soát chặt chẽ để đạt hiệu suất sản xuất tối ưu. Ngoài ra, quá trình làm sạch và thu hồi erythritol từ dịch lên men thông qua các phương pháp như xử lý than hoạt tính, trao đổi ion, kết tinh, sấy là các bước then chốt quyết định chất lượng sản phẩm cuối cùng. Những kết quả thực nghiệm từ các nghiên cứu chứng minh rằng việc tối ưu hóa từng bước trong quy trình có thể tăng năng suất lên 40-50%.

3.1. Các giai đoạn chính của quá trình lên men

Quá trình lên men sinh tổng hợp erythritol được chia thành ba giai đoạn chính: (1) Chuẩn bị inoculum với nấm men Moniliella được nuôi cấy sẵn, (2) Lên men chính trong môi trường chứa glucose với điều kiện pH, nhiệt độ, tốc độ khuấy được kiểm soát, (3) Thu hoạch dịch lên men chứa erythritol và các sản phẩm phụ. Mỗi giai đoạn đòi hỏi các điều kiện cụ thể để đảm bảo khả năng sinh tổng hợp tối đa của nấm men.

3.2. Làm sạch tinh chế và thu hồi sản phẩm

Sau lên men, dịch lên men chứa erythritol cần được làm sạch để loại bỏ tạp chất, vi khuẩn, và các sản phẩm phụ. Phương pháp xử lý than hoạt tính giúp khử mùi, khử màu hiệu quả, theo sau đó là xử lý cột trao đổi ion để tẩy khoáng. Cuối cùng, quá trình kết tinh được thực hiện bằng cách điều chỉnh nồng độ, nhiệt độ, thêm mầm tinh thể để hình thành tinh thể erythritol sạch, sau đó sấy khô ở nhiệt độ thích hợp để thu hồi sản phẩm cuối cùng.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển sản xuất erythritol tại Việt Nam

Đường erythritol là một sản phẩm có giá trị cao trên thị trường thực phẩm toàn cầu, với nhu cầu tăng nhanh từ ngành công nghiệp thực phẩm không đường và sản phẩm chăm sóc sức khỏe. Tại Việt Nam, sản xuất đường erythritol từ nấm men Moniliella có tiềm năng phát triển lớn vì quốc gia sở hữu các chủng nấm men bản địa và nguồn nguyên liệu rẻ như tinh bột sắn. Ứng dụng của erythritol bao gồm viên nén đường thay thế, nước uống không calo, sản phẩm bánh kẹo, sữa chua không đường và các sản phẩm chăm sóc sức khỏe khác. Các nghiên cứu thử nghiệm sản xuất đã chứng minh tính khả thi của công nghệ này ở quy mô phòng thí nghiệm, mở ra cơ hội để công nghiệp hóa và thương mại hóa sản phẩm này trong tương lai gần.

4.1. Các ứng dụng thương mại của erythritol

Erythritol được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm để thay thế đường trắng trong các sản phẩm có hàm lượng calo thấp. Ứng dụng chính bao gồm: viên nén đường tinh chế (dùng trong trà, cà phê), nước uống không calo (nước có vị), bánh kẹo không đường (kẹo, chocolate), sữa chua, yogurt không đường, chất bổ sung dinh dưỡng trong sản phẩm dinh dưỡng chức năng. Nhờ tính an toàn cao, không gây sâu răng, và hỗ trợ kiểm soát cân nặng, erythritol được các bệnh nhân tiểu đường và những người theo chế độ ăn kiêng ưa chuộng.

4.2. Triển vọng phát triển tại Việt Nam

Việt Nam có lợi thế cạnh tranh trong sản xuất erythritol nhờ sự có sẵn của nấm men Moniliella bản địa, giá nguyên liệu thấp (sắn, gạo), và chi phí lao động rẻ. Tiềm năng thị trường là rất lớn, với nhu cầu toàn cầu cho đường erythritol tăng 10-15% hàng năm. Các nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Hà Nội đã chứng minh tính khả thi của quy trình sản xuất, kiểm soát chất lượng sản phẩm, và đánh giá an toàn thực phẩm. Bước tiếp theo là chuyển giai đoạn từ thí nghiệm sang sản xuất công nghiệp để **tạo sản phẩm cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Thừa cân, béo phì, tiểu đƣờng và những hệ lụy của nó đang là một vấn nạn về sức khỏe con ngƣời của thế kỉ 21, nguyên nhân sâu xa của nó là việc sử dụng các thực phẩm giàu dinh dƣỡng, nhiều đƣờng, mất cân bằng trong thực đơn hàng ngày. Bên cạnh các biện pháp điều trị thì việc sử dụng các thực phẩm chức năng hỗ trợ c ng rất hiệu quả trong việc phòng và hỗ trợ những căn bệnh trên. Đƣờng thấp năng lƣợng là một bộ phận quan trọng trong nhóm thực phẩm chức năng, đƣợc tập trung nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây do có nhiều đặc tính có lợi cho sức khỏe nhƣ: chống béo phì, tiểu đƣờng, sâu răng, kích thích tiêu hóa nhƣ là sorbitol, xylitol, maltitol, erythritol trong đó erythritol đƣợc biết đến là một rƣợu đƣờng (hoặc polyol) 4 phân tử cacbon là loại đƣờng thấp năng lƣợng với độ ngọt khoảng 70-80% so với sucrose trong khi năng lƣợng của nó chỉ là 0,24 cal/g tức là chỉ bằng 10% so với các đƣờng chức năng polyol khác chính vì vậy erythritol đƣợc xem nhƣ một thực phẩm chức năng vàng cho bệnh nhân tiểu đƣờng, béo phì và ăn kiêng. Với những nhu cầu thực tế hiện tại erythritol đang đƣợc nghiên cứu và sản xuất trên nhiều nƣớc trên thế giới với quy mô công nghiệp.

Một trong những phƣơng pháp tối ƣu để sản xuất loại đƣờng chức năng thấp năng lƣợng này là sử dụng vi sinh vật, cụ thể là sử dụng các chủng nấm men Moniliella. Moniliella là nhóm đối tƣợng đƣợc đặc biệt quan tâm vì hiệu suất chuyển hóa đƣờng để tạo erythritol tƣơng đối cao, đây là nhóm vi sinh vật có nhiều đặc điểm có lợi khi sử dụng trong quy mô công nghiệp nhƣ là khả năng chịu nhiệt, khả năng chịu nồng độ muối cao và những đặc tính khác. Ở Việt Nam vẫn chƣa có một quy trình công nghệ nào cụ thể để sản xuất ra đƣờng erythritol, các nghiên cứu về đặc tính c ng nhƣ các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thu hồi, sản xuất ở Việt Nam của loại đƣờng này vẫn còn rất ít. Xuất phát từ những lý do trên chúng tôi thực hiện đề tài : “Nghiên cứu sản xuất đƣờng erythritol từ nấm men Moniliella phân lập tại Việt Nam” nhằm Khóa 2014 - 1 Luận văn Thạc sĩ Khoa Nguyễn Thị Ánh thu nhận đƣờng erythritol và đƣa ra quy trình sản xuất quy mô phòng thí nghiệm từ đó tạo tiền đề cho sản xuất công nghiệp phục vụ cho việc ứng dụng vào việc sản xuất các loại thực phẩm chức năng ít năng lƣợng nhằm hỗ trợ và điều trị cho ngƣời ăn kiêng, béo phì và tiểu đƣờng và trong sinh hoạt sử dụng đƣờng của mỗi ngƣời hằng ngày.

Khóa 2014 - 2 Luận văn Thạc sĩ Khoa Nguyễn Thị Ánh Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Đƣờng erythritol Erythritol là một rƣợu đƣờng (hoặc polyol) 4 cacbon đã đƣợc phê duyệt để sử dụng nhƣ một phụ gia thực phẩm ở Mỹ và nhiều nƣớc trên thế giới. Mỗi gam erythritol chỉ cung cấp 0,24 calo, tƣơng đƣơng 6% lƣợng calo cho 1 gam đƣờng sucrose [5] 1.

Cấu tạo và tính chất của đường erythritol Erythritol có màu trắng, không hút ẩm, có dạng bột mịn hay tinh thể với vị ngọt nh và có hình dạng giống sucrose. Erythritol là một đƣờng đa chức với 4C. Kích thƣớc phân tử nhỏ và có nhiều tính chất độc đáo [10]. CTPT: C4H10O4 đƣợc thể hiện ở hình 1.

Công thức hóa học của erythritol [10] Erythritol có tính ổn định cao, không có đầu khử nên bền với nhiệt và axit. Nó không bị phân hủy trong cả hai môi trƣờng axit và kiềm. Không hòa tan trong một số dung môi phân cực khác và thƣờng đƣợc sử dụng kết hợp với maltitol [26]. Lợi ích cho sức khỏe của đường erythritol Không calo Erythritol đƣợc coi là một loại chất ngọt không cung cấp calo, vì lƣợng calo trong 1 gam rất thấp [13, 30].

Khóa 2014 - 3 Luận văn Thạc sĩ Khoa Nguyễn Thị Ánh Lợi ích về răng miệng Lợi ích về răng miệng của erythritol đã đƣợc kiểm nghiệm bằng cách: Trong ống nghiệm, tiến hành ủ erythritol với một loạt các loài Streptococcus (liên cầu khuẩn). Trong thử nghiệm vi sinh vật này cho thấy rằng Streptococcus đã không thể sản xuất mảng bám cao phân tử khi ủ trên erythritol, trái ngƣợc với kết quả khi Streptococcus đƣợc ủ trên sucrose [21]. Không làm gia tăng lượng đường huyết Trong một nghiên cứu của nhóm tác giả F. Bornet và cộng sự đã kiểm tra đƣờng huyết ở các thời điểm từ khi bắt đầu sử dụng đến 3 giờ sau khi uống một liều duy nhất 1g erythritol/kg trọng lƣợng cơ thể, kết quả cho thấy erythritol không ảnh hƣởng tới đƣờng huyết và mức insulin [11].

Kết luận này c ng đƣợc nhóm nghiên cứu Yoshida và cộng sự đƣa ra [37]. Sự an toàn của erythritol đã đƣợc các tổ chức WHO/FAO Uỷ ban chuyên gia về phụ gia thực phẩm (JECFA) xác nhận vào 21-24 tháng 6 năm 1999. Erythritol c ng đã đƣợc Cơ quan Thực phẩm và Dƣợc phẩm Hoa Kỳ công nhận là đồ gia vị trong thực phẩm kể từ năm 2001 [18]. Ứng dụng của đường erythritol Erythritol đƣợc sử dụng an toàn nhƣ là một chất tạo ngọt không năng lƣợng ở nhiều nƣớc do không có khả năng trao đổi chất trong cơ thể.

Các số liệu khuyến cáo chỉ ra rằng erythritol không gây ra phản ứng bất lợi nào khi sử dụng với các thực phẩm khác. Dựa trên các số liệu nghiên cứu công bố, erythritol đƣợc chứng nhận là an toàn khi sử dụng trong thực phẩm. Erythritol là thành phần trong khẩu phần ăn của con ngƣời từ hàng nghìn năm nay khi có mặt trong lê, nho… và các thực phẩm lên men: rƣợu, nƣớc tƣơng 1. Công nghệ sản xuất ertythritol từ tinh bột Đƣờng erythritol đã đƣợc đƣa vào sản xuất quy mô lớn bằng phƣơng pháp hóa học và bằng quá trình lên men vi sinh vật.

Erythritol có thể đƣợc tổng hợp từ tinh bột biến tính bằng phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao với sự có mặt của hóa chất Khóa 2014 - 4 Luận văn Thạc sĩ Khoa Nguyễn Thị Ánh xúc tác nike [31]. Phƣơng pháp sản xuất này đã không đƣợc đƣa ra sản xuất quy mô công nghiệp vì hiệu quả thấp. Ngày nay, sự tổng hợp erythritol từ vi sinh vật đang đƣợc nghiên cứu và phát triển mạnh. Erythriyol là polyol đầu tiên đƣợc sản xuất hoàn toàn bằng quy trình công nghệ sinh học của một số nhóm nấm men, đặc biệt là nhóm ƣa thẩm thấu có khả năng tích l y đƣờng này ở hàm lƣợng lớn.

Đa số là đƣợc tổng hợp từ nấm men nhƣ: Pichia, Cadida, Torulopsis, Trigonopsis, Moniliella, Aureobasidium và Trichosporon spp. Tuy khác nhau về vi sinh vật sử dụng nhƣng các phƣơng pháp đều sử dụng nguyên liệu là các loại ng cốc, quy trình sản xuất đều trải qua các bƣớc sau:  Tách tinh bột từ ng cốc  Thủy phân tinh bột thành glucose bằng enzym thủy phân  Lên men glucose nhờ vi sinh vật  Lọc, tinh chế, kết tinh, làm khô sản phẩm Ngày nay việc ứng dụng quá trình lên men trong sản xuất các loại đƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi là 1 quá trình đơn giản chỉ cần 1 vài bƣớc và ít tốn kém bởi các chất nền ban đầu thấp, chi phí sản xuất thấp. Quá trình sản xuất công nghiệp erythriol dựa trên quá trình lên men tự nhiên, sử dụng nấm Moniliella pollinis.pollinis lần đầu tiên đƣợc phân lập từ phấn hoa tƣơi tìm thấy trong một tổ ong, sau đó dƣới các điều kiện có sẵn sinh vật này sẽ sản sinh đƣờng erythritol ở mức tƣơng đối cao. Các nguyên liệu ban đầu là dextrose hoặc sucrose hay tinh bột ngô đƣợc thủy phân bằng enzym tạo ra glucose rồi tiến hành lên men bằng M.pollinis sau đó đƣợc tiến hành kết tinh, lọc, rửa và sấy khô thu nhận đƣợc erythritol có độ tinh khiết lên đến 99,5%.

Ngoài ra còn thu đƣợc ra 1 hỗn hợp polyol chứa chủ yếu là erythritol, glycerol và ribitol. Vi sinh vật là một yếu tố quan trọng góp phần quyết định hiệu suất của quá trình lên men. Các vi sinh vật này biến đổi glucose thành erythritol nhờ enzym erythose reductase, đây là enzym hoạt động phụ thuộc vào NADPH. Khóa 2014 - 5 Luận văn Thạc sĩ Khoa Nguyễn Thị Ánh 1.

Tình hình sản xuất erythritol trên thế giới và ở Việt Nam Hiện nay trên thế giới erythritol đang đƣợc sản xuất thƣơng mại ở quy mô công nghiệp sử dụng các chủng Moniliella. Công nghệ sản xuất erythritol sử dụng nấm men Moniliella ở các khía cạnh khác nhau đƣợc bảo vệ bằng một loạt các sáng chế bởi các công ty hóa chất và viện nghiên cứu. Ví dụ nhƣ: USP (United States Patent) #8187847 (2012) của công ty hóa chất Jungbunzlauer Austria AG (Aó) bảo hộ cho việc sử dụng môi trƣờng chứa nitrate cho lên men erythritol sử dụng Moniliella tomentosa (=Moniliella pollinis) [32]. Tƣơng tự, công ty Nikken Chemicals Co.

Các loài nấm Moniliella có khả năng lên men các loại đƣờng đơn giản để sản xuất erythritol. Sàng lọc và đột biến đƣợc sử dụng để xác định chủng cải tiến của Moniliella có khả năng sản lƣợng sản xuất erythritol hiệu quả [24]. Cho đến nay chƣa có một nhà máy hay cở sở sản xuất nào ở Việt Nam sản xuất erythritol. Đƣờng erythritol hiện tại phụ thuộc chủ yếu vào nguồn nhập khẩu trong khi đó nhu cầu sử dụng đƣờng thấp năng lƣợng ngày càng tăng.

Đƣờng erythritol đƣợc Bộ Y tế Việt Nam cho phép đƣợc sử dụng trong thực phẩm nhƣ chất tạo ngọt, chất giữa ẩm, chất điều vị tại thông tƣ 27/2012/TT-BYT ngày 30/11/2012. Đƣờng erythritol có trong danh sách polyol đang đƣợc sử dụng để sản xuất bánh k o tại các nhà máy, công ty sản xuất bánh k o Hải Hà, Hải Châu, Kinh Đô, Hữu Nghị, Bibica, Tràng An; đƣợc sử dụng trong nƣớc giải khát Tribeco, Hoàng Gia, Acecook,.Ngoài ra, đƣờng erythritol còn đƣợc sử dụng trong dƣợc phẩm, thực phẩm chức năng, đồ ăn uống ăn kiêng cho bệnh nhân tiểu đƣờng. Hiện tại giá đƣờng erythritol bán trên thị trƣờng Việt Nam là 150. Chính vì vậy việc tìm ra một quy trình công nghệ phù hợp hiệu quả cao, chi phí rẻ để sản xuất erythritol là hết sức có ý nghĩa và cấp thiết Khóa 2014 - 6 Luận văn Thạc sĩ Khoa Nguyễn Thị Ánh 1.

Đặc điểm cơ bản của nấm men Moniliella Vào khoảng cuối thế kỉ 19 con ngƣời biết đến nấm men đen Moniliella là một nhóm phân loại không đồng nhất, thành tế bào có melanine và sinh sản bằng phƣơng pháp nẩy chồi. Nảy chồi là phƣơng pháp sinh sản phổ biến nhất ở nấm men đen, ngoài ra nấm men còn có một số hình thức sinh sản khác nhƣ: sinh sản bằng cách phân đôi, sinh sản bằng bảo tử [2, 8].