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].