Sản Xuất Sản Phẩm Giàu β-Glucan Từ Nấm Men Bia Sử Dụng Enzyme Protease

Tài liệu nghiên cứu Pilot production of products rich in beta glucan from brewers yeast using protease, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Lê Khánh Pháp
• Người hướng dẫn: MSc. Nguyễn Quốc Trung
• Trường học: Vietnam National University of Agriculture
• Chuyên ngành: Biotechnology
• Đề tài: Sản Xuất Sản Phẩm Giàu β-Glucan Từ Nấm Men Bia Sử Dụng Enzyme Protease
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• COMMITMENT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• TABLE OF CONTENTS
• 1. Chapter I: INTRODUCTION
• 1.1. INTRODUCTION
• 1.2. OBJECTIVE AND THE MEANING OF THE TOPIC
• 2. Chapter II: LITERATURE REVIEW
• 2.1. OVERVIEW OF Β-GLUCAN
• 2.1.1. Definition, chemical structure of β-glucan
• 2.1.2. Applications of β-glucan
• 2.1.2.1. Application of β-glucan in medicine
• 2.1.2.2. Application of β-glucan in food
• 2.1.2.3. Application of β-glucan in breeding
• 2.1.2.4. Application of β-glucan in cosmetic industry
• 2.1.3. Sources of β-glucan
• 2.2. OVERVIEW OF SACCHAROMYCES CEREVISIAE
• 2.2.1. Morphological properties of yeast
• 2.2.2. Structure of yeast cells
• 2.2.3. Definition of protease enzyme
• 2.2.4. Classification of protease
• 2.2.5. Applications of protease
• 2.3. METHODS TO DISRUPT THE YEAST CELL WALL AND OBTAIN B-GLUCAN
• 2.3.1. Mechanical method to disrupt the yeast cell wall
• 2.3.2. Sonical method to disrupt the yeast cell wall
• 2.3.3. Autolysis method to disrupt the yeast cell wall
• 2.3.4. Using chemical method to obtain β-glucan from yeast cell wall
• 2.4. MATERIALS AND METHODS
• 2.4.1. Extraction of β-glucan from yeast residues (Nguyen Quoc Trung, 2021)
• 2.4.2. Optimization of the pilot-scale cell wall digestion process (Illustration diagram)
• 2.4.3. Nutritional analysis method
• 2.5. RESULTS AND DISCUSSION
• 2.5.1. RESULTS OF OPTIMIZATION OF WASHING SAMPLE STEP
• 2.5.1.1. Results of washing 1 liter of sample
• 2.5.1.2. Results of washing 100 liters of sample
• 2.5.2. RESULTS OF OPTIMIZATION OF ENZYME INCUBATION
• 2.5.3. RESULTS OF OPTIMIZATION OF DRYING METHODS
• 2.5.3.1. Drying results by method “Convection drying”
• 2.5.3.2. Drying results by “Freeze drying” method
• 2.5.3.3. Drying results by “Heat drying” method
• 2.5.4. ANALYSIS OF NUTRIENT PROPERTIES OF PRODUCTS
• 2.5.4.1. The content of β-glucan in the product
• 2.5.4.2. Other nutrient properties of products
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Sản Xuất β Glucan Từ Nấm Men Bia Giới Thiệu

Sản xuất bia ngày càng phát triển dẫn đến lượng lớn nấm men bia thải ra môi trường. Lượng thải này chiếm 1-2% thể tích bia thành phẩm, tương đương 40.000-80.000 tấn/năm. Phần lớn lượng nấm men này được dùng làm thức ăn chăn nuôi hoặc nguyên liệu rẻ tiền cho quy trình sản xuất dịch chiết nấm men tự phân, phần còn lại thải trực tiếp gây ô nhiễm môi trường. Thành phần chính của nấm men bia là Saccharomyces cerevisiae. Trong nấm men, vách tế bào chiếm khoảng 20% trọng lượng khô, trong đó β-Glucan chiếm khoảng 50-60% chất khô. Sản xuất sản phẩm giàu β-Glucan có giá trị kinh tế cao có thể mang lại lợi nhuận cho nhà máy, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường.

1.1. Tiềm Năng Ứng Dụng Nấm Men Bia trong Sản Xuất β Glucan

Nấm men bia, đặc biệt là Saccharomyces cerevisiae, là nguồn cung cấp β-Glucan dồi dào. Vách tế bào của chúng chứa hàm lượng β-Glucan đáng kể, có thể được khai thác thông qua các quy trình chiết xuất. Nghiên cứu của Nguyễn Quốc Trung (2021) đã chỉ ra phương pháp chiết xuất β-Glucan từ bã nấm men với hiệu suất cao. Việc sử dụng enzyme protease để phá vỡ vách tế bào nấm men là một hướng đi đầy hứa hẹn để nâng cao hiệu quả sản xuất β-Glucan.

1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Tối Ưu Hóa Sản Xuất β Glucan quy mô Pilot

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là tối ưu hóa phương pháp phá vỡ vách tế bào nấm men ở quy mô pilot sử dụng enzyme protease và đánh giá các đặc tính dinh dưỡng của sản phẩm giàu β-Glucan. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa quy trình rửa mẫu, thời gian ủ enzyme, và phương pháp sấy khô để đạt được hiệu suất sản xuất β-Glucan cao nhất. Đồng thời, phân tích thành phần dinh dưỡng như protein, carbohydrate, chất xơ, lipid và các vitamin trong sản phẩm cuối cùng.

II. Thách Thức và Giải Pháp Trong Sản Xuất β Glucan Từ Nấm Men

Quá trình sản xuất β-Glucan từ nấm men gặp phải một số thách thức, bao gồm việc phá vỡ vách tế bào nấm men một cách hiệu quả, tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để đảm bảo hiệu suất cao và duy trì chất lượng của β-Glucan. Các phương pháp truyền thống có thể tốn kém, kém hiệu quả hoặc gây ảnh hưởng đến cấu trúc và hoạt tính sinh học của β-Glucan. Việc sử dụng enzyme protease là một giải pháp tiềm năng để giải quyết những thách thức này. Enzyme protease giúp thủy phân protein trong vách tế bào nấm men, làm suy yếu cấu trúc và tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải phóng β-Glucan.

2.1. Vấn Đề Về Hiệu Suất Chiết Xuất β Glucan truyền thống

Các phương pháp chiết xuất β-Glucan truyền thống thường sử dụng các tác nhân vật lý hoặc hóa học mạnh để phá vỡ vách tế bào nấm men. Tuy nhiên, những phương pháp này có thể gây ra sự biến đổi cấu trúc của β-Glucan, làm giảm hoạt tính sinh học và giá trị sử dụng. Bên cạnh đó, hiệu suất chiết xuất thường không cao, dẫn đến lãng phí nguồn nguyên liệu nấm men bia.

2.2. Ứng Dụng Enzyme Protease Giải Pháp Tiềm Năng

Sử dụng enzyme protease là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn. Enzyme protease có khả năng thủy phân protein trong vách tế bào nấm men một cách chọn lọc, giúp giải phóng β-Glucan mà không gây ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và hoạt tính sinh học của nó. Việc tối ưu hóa các điều kiện sử dụng enzyme, như nồng độ, nhiệt độ và thời gian ủ, là rất quan trọng để đạt được hiệu suất chiết xuất cao nhất.

III. Phương Pháp Sử Dụng Enzyme Protease Chiết Xuất β Glucan Hiệu Quả

Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sử dụng enzyme protease để sản xuất β-Glucan từ nấm men bia. Quy trình bao gồm các bước: rửa mẫu nấm men, ủ enzyme protease, và sấy khô sản phẩm. Các thông số như nồng độ enzyme, thời gian ủ, nhiệt độ ủ, và phương pháp sấy khô được điều chỉnh để đạt được hiệu suất sản xuất β-Glucan tối ưu và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc so sánh các phương pháp sấy khô khác nhau (sấy đông khô, sấy đối lưu, sấy nhiệt) cũng được thực hiện để đánh giá tác động của chúng đến hàm lượng β-Glucan và các đặc tính dinh dưỡng khác.

3.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Rửa Mẫu Nấm Men Bia ban đầu

Rửa mẫu nấm men bia là bước quan trọng để loại bỏ các tạp chất và các thành phần không mong muốn, giúp tăng hiệu quả của quá trình thủy phân bằng enzyme. Nghiên cứu này tiến hành tối ưu hóa số lần rửa, thể tích nước rửa, và các điều kiện khác để đảm bảo loại bỏ tối đa tạp chất mà không làm mất đi lượng β-Glucan đáng kể. Thí nghiệm được thực hiện với 1 lít và 100 lít nấm men bia để đánh giá khả năng mở rộng quy mô.

3.2. Điều Chỉnh Thời Gian Ủ Enzyme Protease Strotease SP 100

Thời gian ủ enzyme protease có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả thủy phân protein trong vách tế bào nấm men. Thời gian ủ quá ngắn có thể dẫn đến thủy phân không hoàn toàn, trong khi thời gian ủ quá dài có thể gây ra sự phân hủy quá mức của β-Glucan. Nghiên cứu này sử dụng enzyme protease Strotease SP 100 và tiến hành thí nghiệm để xác định thời gian ủ tối ưu cho việc giải phóng β-Glucan.

3.3. So Sánh Các Phương Pháp Sấy Khô và Ảnh Hưởng đến Chất Lượng

Phương pháp sấy khô có thể ảnh hưởng đến hàm lượng và chất lượng β-Glucan trong sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu này so sánh ba phương pháp sấy khô khác nhau: sấy đông khô, sấy đối lưu và sấy nhiệt. Các phương pháp này được đánh giá dựa trên khả năng duy trì hàm lượng β-Glucan, bảo toàn các chất dinh dưỡng khác và giảm thiểu sự biến đổi màu sắc và hương vị của sản phẩm.

IV. Phân Tích Dinh Dưỡng Sản Phẩm Giàu β Glucan Kết Quả Nghiên Cứu

Sau khi tối ưu hóa quy trình sản xuất β-Glucan, sản phẩm được phân tích các thành phần dinh dưỡng quan trọng, bao gồm protein, carbohydrate, chất xơ, lipid, vitamin (B1, B2, B3, D3) và khoáng chất (canxi, phốt pho). Hàm lượng β-Glucan cũng được xác định bằng bộ kit chuyên dụng. Kết quả phân tích dinh dưỡng cung cấp thông tin quan trọng về giá trị dinh dưỡng của sản phẩm và tiềm năng ứng dụng của nó trong thực phẩm chức năng và các lĩnh vực khác. Các thông số này quyết định ứng dụng β-Glucan vào các sản phẩm phù hợp.

4.1. Hàm Lượng β Glucan Trong Sản Phẩm Cuối Cùng

Hàm lượng β-Glucan là chỉ số quan trọng nhất để đánh giá hiệu quả của quy trình sản xuất. Nghiên cứu này sử dụng bộ kit Megazyme-ireland để xác định hàm lượng β-Glucan trong sản phẩm cuối cùng sau khi đã tối ưu hóa các bước rửa mẫu, ủ enzyme và sấy khô. Kết quả cho thấy hàm lượng β-Glucan đạt được trong sản phẩm.

4.2. Đánh Giá Các Đặc Tính Dinh Dưỡng Khác Của Sản Phẩm

Ngoài β-Glucan, sản phẩm từ nấm men bia còn chứa nhiều chất dinh dưỡng khác. Protein, carbohydrate, chất xơ, lipid, vitamin và khoáng chất đều được phân tích để đánh giá giá trị dinh dưỡng tổng thể của sản phẩm. Các kết quả này cho phép so sánh sản phẩm với các nguồn β-Glucan khác và xác định các ứng dụng tiềm năng.

V. Ứng Dụng Thực Tế Sản Phẩm Giàu β Glucan Từ Nấm Men Bia

Sản phẩm giàu β-Glucan từ nấm men bia có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong ngành thực phẩm, β-Glucan có thể được sử dụng như một chất phụ gia để tăng cường giá trị dinh dưỡng, cải thiện cấu trúc sản phẩm và mang lại lợi ích sức khỏe. Trong ngành chăn nuôi, β-Glucan có thể được sử dụng như một chất kích thích miễn dịch tự nhiên để tăng cường sức khỏe và năng suất vật nuôi. Ngoài ra, β-Glucan cũng có tiềm năng ứng dụng trong dược phẩm và mỹ phẩm.

5.1. β Glucan trong Thực Phẩm Chức Năng và Tăng Cường Sức Khỏe

β-Glucan được biết đến với nhiều lợi ích sức khỏe, bao gồm tăng cường hệ miễn dịch, giảm cholesterol, kiểm soát đường huyết và phòng ngừa ung thư. Do đó, nó là một thành phần lý tưởng cho các sản phẩm thực phẩm chức năng. Sản phẩm giàu β-Glucan từ nấm men bia có thể được sử dụng để sản xuất các loại thực phẩm chức năng đa dạng, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng về sức khỏe.

5.2. β Glucan trong Chăn Nuôi Tăng Cường Miễn Dịch Vật Nuôi

Trong chăn nuôi, β-Glucan có tác dụng kích thích hệ miễn dịch của vật nuôi, giúp chúng chống lại các bệnh tật và tăng cường sức khỏe. Việc bổ sung β-Glucan vào thức ăn chăn nuôi có thể giúp giảm việc sử dụng kháng sinh và các loại thuốc khác, góp phần vào sự phát triển của ngành chăn nuôi bền vững.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Sản Xuất β Glucan bền vững

Nghiên cứu này đã thành công trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất β-Glucan từ nấm men bia sử dụng enzyme protease. Các kết quả cho thấy việc sử dụng enzyme protease là một phương pháp hiệu quả để phá vỡ vách tế bào nấm men và giải phóng β-Glucan. Sản phẩm giàu β-Glucan từ nấm men bia có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp sinh học và thực phẩm chức năng. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để tiếp tục cải thiện quy trình sản xuất và khám phá các ứng dụng mới của β-Glucan.

6.1. Đánh Giá Hiệu Quả Quy Trình Sản Xuất β Glucan từ Nấm Men Bia

Việc so sánh hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của quy trình sản xuất β-Glucan sử dụng enzyme protease với các phương pháp truyền thống là cần thiết để đánh giá tính khả thi và tiềm năng ứng dụng của quy trình này trong thực tế. Các yếu tố như chi phí nguyên liệu, chi phí enzyme, chi phí năng lượng và hiệu suất sản xuất cần được xem xét kỹ lưỡng.

6.2. Nghiên Cứu sâu hơn để Phát Triển Ứng Dụng và Sản Phẩm Mới

Cần có các nghiên cứu sâu hơn để khám phá các ứng dụng mới của β-Glucan trong các lĩnh vực khác nhau, như dược phẩm, mỹ phẩm và vật liệu sinh học. Đồng thời, việc phát triển các sản phẩm mới chứa β-Glucan từ nấm men bia, đáp ứng nhu cầu của thị trường, là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp β-Glucan.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp sản xuất bia tại Việt Nam và trên thế giới phát triển mạnh mẽ, lượng bã men bia thải ra môi trường ước tính chiếm khoảng 1-2% tổng sản lượng bia thành phẩm, tương đương từ 40.000 đến 80.000 tấn mỗi năm. Bã men này chủ yếu được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi hoặc nguyên liệu thô cho quá trình sản xuất chiết xuất men tự phân giải, phần còn lại thường bị thải trực tiếp gây ô nhiễm môi trường. Thành phần chính của bã men là Saccharomyces cerevisiae, trong đó thành tế bào chiếm khoảng 20% trọng lượng khô, với β-glucan chiếm 50-60% trọng lượng khô thành tế bào. β-glucan là polysaccharide có giá trị kinh tế cao, được ứng dụng rộng rãi trong y học, thực phẩm, chăn nuôi và mỹ phẩm nhờ các đặc tính sinh học ưu việt.

Mục tiêu nghiên cứu là tối ưu hóa quy trình phá vỡ thành tế bào men bia quy mô pilot sử dụng enzyme protease nhằm tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm giàu β-glucan, đồng thời phân tích các chỉ tiêu dinh dưỡng của sản phẩm. Nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Công nghệ Sinh học, Đại học Nông Lâm Quốc gia Việt Nam trong khoảng thời gian từ tháng 9/2021 đến tháng 1/2022. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị kinh tế của bã men bia, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và mở rộng ứng dụng β-glucan trong các ngành công nghiệp liên quan.

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:

• Cấu trúc hóa học và đặc tính của β-glucan: β-glucan là polysaccharide không tinh bột, gồm các đơn vị D-glucose liên kết chủ yếu qua liên kết β-1,3 và β-1,6. Cấu trúc phân nhánh và trọng lượng phân tử ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hoạt tính sinh học của β-glucan.

• Đặc điểm sinh học của Saccharomyces cerevisiae: Men bia có thành tế bào chứa mannoprotein, β-glucan và chitin, trong đó β-glucan chiếm khoảng 60% trọng lượng khô thành tế bào. Thành tế bào có vai trò bảo vệ và duy trì hình dạng tế bào.

• Tác dụng của enzyme protease trong phá vỡ thành tế bào: Protease thủy phân liên kết peptid trong protein thành tế bào, giúp phá vỡ cấu trúc thành tế bào, giải phóng β-glucan. Enzyme protease được phân loại theo cơ chế hoạt động và pH tối ưu, có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và xử lý chất thải.

• Các phương pháp phá vỡ thành tế bào men: Bao gồm phương pháp cơ học, siêu âm, tự phân giải (autolysis) và hóa học. Phương pháp enzyme autolysis sử dụng protease được đánh giá cao về hiệu quả và thân thiện môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Bã men bia Saccharomyces cerevisiae thu thập từ Công ty TNHH Thương mại và Sản xuất An Thịnh – Nhà máy bia An Thịnh.

• Quy trình nghiên cứu:

  1. Tiền xử lý mẫu: Rửa bã men với nước RO nhiều lần để loại bỏ tạp chất và dịch bia, điều chỉnh pH bằng dung dịch NaOH 2N ở 50°C trong 10 phút để loại bỏ vị đắng và protein không mong muốn.

  2. Phá vỡ thành tế bào bằng enzyme protease: Ủ men với enzyme protease Strotease SP 100 ở 55°C trong 6 giờ, khuấy đều 250 vòng/phút.

  3. Xử lý hóa học bổ sung: Ngâm bã men trong dung dịch NaOH 4% ở 90°C trong 60 phút để loại bỏ protein còn lại.

  4. Rửa và tinh chế: Rửa bằng acetone và ethanol theo tỷ lệ 1:3, ly tâm thu lấy cặn β-glucan.

  5. Sấy khô: So sánh ba phương pháp sấy gồm sấy đối lưu, sấy lạnh (freeze drying) và sấy nhiệt để chọn phương pháp tối ưu.

• Phân tích dinh dưỡng: Xác định hàm lượng β-glucan bằng bộ kit Megazyme (Ireland), protein theo phương pháp Kjeldahl, lipid, carbohydrate, chất xơ, vitamin nhóm B, D3, canxi và photpho theo tiêu chuẩn AOAC và TCVN.

• Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trên quy mô pilot với 100 lít bã men, tiến hành từ tháng 9/2021 đến tháng 1/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tối ưu hóa bước rửa mẫu: Rửa 100 lít bã men nhiều lần với nước RO giúp loại bỏ hoàn toàn dịch bia và tạp chất, thu được bã men sạch màu trắng ngà, đảm bảo điều kiện cho quá trình autolysis. Quan sát dưới kính hiển vi cho thấy 100% tế bào men còn nguyên vẹn trước khi xử lý enzyme.

2. Hiệu quả enzyme protease trong phá vỡ thành tế bào: Sau 6 giờ ủ với protease Strotease SP 100 ở 55°C, thành tế bào men bị phá vỡ rõ rệt, dung dịch chuyển từ dạng keo đục sang lỏng màu nâu nhạt. Tỷ lệ tế bào chết tăng lên gần 100%, chứng tỏ enzyme đã tác động hiệu quả. So với phương pháp enzyme NBU6 trong phòng thí nghiệm, Strotease SP 100 phù hợp hơn cho quy mô pilot do nguồn cung dồi dào và chi phí hợp lý.

3. So sánh các phương pháp sấy: Sấy đối lưu ở 50°C trong 3 ngày chỉ làm khô bề mặt sản phẩm, không đồng đều và dễ bị hư hỏng. Sấy lạnh giữ nguyên cấu trúc và hoạt tính β-glucan tốt nhất nhưng chi phí cao và thời gian dài. Sấy nhiệt nhanh nhưng làm giảm hàm lượng β-glucan do nhiệt độ cao. Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng β-glucan trong sản phẩm đạt khoảng 28% trọng lượng khô, tương đương với nghiên cứu trước đó.

4. Phân tích dinh dưỡng sản phẩm: Sản phẩm giàu β-glucan có hàm lượng protein khoảng 18-20%, carbohydrate 40-45%, chất xơ 10-12%, lipid dưới 5%. Vitamin nhóm B (B1, B2, B3) và vitamin D3 được giữ lại ở mức đáng kể, canxi và photpho cũng có mặt với hàm lượng phù hợp cho ứng dụng trong chăn nuôi.

Thảo luận kết quả

Việc tối ưu hóa bước rửa mẫu với nước RO thay thế cho dung dịch NaOH trong quy mô pilot giúp giảm chi phí và hạn chế ảnh hưởng đến protein có lợi trong sản phẩm, phù hợp với mục tiêu ứng dụng trong chăn nuôi. Enzyme protease Strotease SP 100 cho hiệu quả phá vỡ thành tế bào tương đương enzyme nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, đồng thời đáp ứng yêu cầu về nguồn cung và chi phí cho sản xuất quy mô lớn.

So sánh các phương pháp sấy cho thấy sấy lạnh là lựa chọn tối ưu về chất lượng sản phẩm, tuy nhiên cần cân nhắc chi phí và thời gian. Sấy đối lưu và sấy nhiệt có thể được áp dụng trong các trường hợp yêu cầu sản lượng lớn và chi phí thấp hơn, với điều kiện kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ để hạn chế mất mát β-glucan.

Kết quả phân tích dinh dưỡng khẳng định sản phẩm thu được không chỉ giàu β-glucan mà còn giữ được các thành phần dinh dưỡng quan trọng, mở rộng khả năng ứng dụng trong thực phẩm chức năng, thức ăn chăn nuôi và mỹ phẩm. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hàm lượng β-glucan và các chỉ tiêu dinh dưỡng giữa các phương pháp sấy, cũng như bảng thống kê hiệu quả phá vỡ thành tế bào theo thời gian ủ enzyme.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình rửa mẫu bằng nước RO liên tục nhằm loại bỏ tạp chất và dịch bia, đảm bảo chất lượng bã men trước khi xử lý enzyme, giảm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất. Thời gian thực hiện: ngay trong quy trình thu gom bã men tại nhà máy.

2. Sử dụng enzyme protease Strotease SP 100 cho quá trình autolysis ở 55°C trong 6 giờ để phá vỡ thành tế bào men hiệu quả, tăng hàm lượng β-glucan thu hồi. Chủ thể thực hiện: nhà máy sản xuất enzyme và nhà máy bia. Thời gian áp dụng: dài hạn.

3. Ưu tiên sử dụng phương pháp sấy lạnh (freeze drying) cho sản phẩm β-glucan nhằm giữ nguyên hoạt tính và chất lượng dinh dưỡng, đặc biệt cho các sản phẩm thực phẩm chức năng và mỹ phẩm. Đối với sản xuất quy mô lớn, cân nhắc kết hợp sấy đối lưu với kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt để giảm chi phí.

4. Phát triển sản phẩm đa dạng ứng dụng như thức ăn chăn nuôi bổ sung β-glucan, thực phẩm chức năng hỗ trợ miễn dịch, mỹ phẩm dưỡng da chứa β-glucan. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ sinh học, công ty thực phẩm và mỹ phẩm.

5. Xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng và phân tích dinh dưỡng định kỳ để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn, nâng cao uy tín và giá trị thương hiệu. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học, công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và quy trình thực nghiệm chi tiết về chiết xuất β-glucan từ bã men bia, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất bia và chế biến bã men: Tham khảo để tối ưu hóa quy trình xử lý bã men, nâng cao giá trị sản phẩm phụ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng lợi nhuận.

3. Công ty sản xuất enzyme và nguyên liệu thực phẩm chức năng: Áp dụng quy trình sử dụng enzyme protease trong phá vỡ thành tế bào men, phát triển sản phẩm β-glucan chất lượng cao.

4. Ngành chăn nuôi và sản xuất thức ăn gia súc: Sử dụng sản phẩm giàu β-glucan làm phụ gia thức ăn nhằm tăng cường miễn dịch, cải thiện sức khỏe vật nuôi và hiệu quả chăn nuôi.

Câu hỏi thường gặp

1. β-glucan là gì và tại sao nó quan trọng?
   β-glucan là polysaccharide có trong thành tế bào men và nấm, có tác dụng tăng cường hệ miễn dịch, giảm cholesterol và hỗ trợ sức khỏe đường ruột. Ví dụ, β-glucan từ men bia giúp cải thiện sức khỏe vật nuôi và được ứng dụng trong thực phẩm chức năng.

2. Tại sao sử dụng enzyme protease để phá vỡ thành tế bào men?
   Protease thủy phân protein trong thành tế bào, giúp giải phóng β-glucan hiệu quả hơn so với phương pháp cơ học hoặc hóa học. Trong nghiên cứu, enzyme Strotease SP 100 đã phá vỡ thành tế bào men bia sau 6 giờ ủ ở 55°C.

3. Phương pháp sấy nào giữ được nhiều β-glucan nhất?
   Sấy lạnh (freeze drying) giữ nguyên cấu trúc và hoạt tính β-glucan tốt nhất, tuy nhiên chi phí cao và thời gian dài. Sấy đối lưu và sấy nhiệt có thể làm giảm hàm lượng β-glucan do nhiệt độ cao.

4. Sản phẩm β-glucan có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
   Ứng dụng trong thực phẩm chức năng, mỹ phẩm dưỡng da, thức ăn chăn nuôi giúp tăng cường miễn dịch và cải thiện sức khỏe. Ví dụ, β-glucan giúp tăng kháng thể sau tiêm phòng ở gia cầm và lợn.

5. Làm thế nào để đảm bảo chất lượng sản phẩm β-glucan?
   Cần kiểm soát chặt chẽ quy trình rửa, ủ enzyme, xử lý hóa học và sấy khô. Phân tích định kỳ các chỉ tiêu dinh dưỡng và hàm lượng β-glucan bằng bộ kit Megazyme giúp đảm bảo chất lượng ổn định.

Kết luận

• Đã tối ưu hóa thành công quy trình phá vỡ thành tế bào men bia quy mô pilot sử dụng enzyme protease Strotease SP 100, đạt hiệu suất thu hồi β-glucan khoảng 28% trọng lượng khô.
• Phương pháp rửa mẫu bằng nước RO hiệu quả trong việc loại bỏ tạp chất, bảo toàn protein có lợi cho ứng dụng chăn nuôi.
• So sánh các phương pháp sấy cho thấy sấy lạnh giữ nguyên chất lượng sản phẩm tốt nhất, phù hợp cho thực phẩm chức năng và mỹ phẩm.
• Sản phẩm giàu β-glucan có hàm lượng dinh dưỡng cao, phù hợp ứng dụng đa ngành như thực phẩm, chăn nuôi và mỹ phẩm.
• Khuyến nghị áp dụng quy trình này trong sản xuất công nghiệp để nâng cao giá trị bã men bia, giảm ô nhiễm môi trường và phát triển sản phẩm mới.

Hành động tiếp theo: Triển khai quy trình tại các nhà máy sản xuất bia quy mô lớn, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng sản phẩm trong các lĩnh vực khác. Đề xuất hợp tác với doanh nghiệp để thương mại hóa sản phẩm β-glucan chất lượng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY OF AGRICULTURE FACULTY OF BIOTECHNOLOGY ----------  ---------- GRADUATION THESIS TOPIC: PILOT PRODUCTION OF PRODUCTS RICH IN ΒETA-GLUCAN FROM BREWER’S YEAST USING PROTEASE Performer : LÊ KHÁNH PHÁP Class : CNSHE Courses : 62 Faculty : Biotechnology Specialized : Molecular Biology Instructor : MSc. NGUYỄN QUỐC TRUNG PhD. LÊ ĐỨC THẢO Department : Molecular Biology & Applied Biotechnology Hanoi – 2022 COMMITMENT I hereby declare that this is my own research work. The data and results presented in the thesis are completely honest and have never been published by anyone in any research work.

I take responsibility for the data in this thesis and the information cited in the thesis have been identified. Hanoi, March 21, 2022 Thesis author Lê Khánh Pháp i ACKNOWLEDGEMENTS To complete this thesis, I would like to express my deep gratitude to the teachers and teachers of the Faculty of Biotechnology - Vietnam National University of Agriculture, who have supported and facilitated me throughout the process. Study and research. I would like to thank the Department of Refrigeration Engineering & Air Conditioning, School of TFXtile – Leather and Fashion, Hanoi University of Science and Technology for creating favorable conditions for me to successfully complete my graduation thesis.

I would like to express my sincere thanks to Msc. Nguyen Quoc Trung and PhD. Le Đuc Thao, who have enthusiastically guided and helped me in the process of researching and completing the thesis. At the same time, I would also like to express my sincere gratitude to Msc.

Trinh Thi Thu Thuy and Ms. Phung Thi Duyen, Faculty of Biotechnology - Vietnam National University of Agriculture have supported and helped me in the process of making this thesis. I would like to thank my relatives, family, friends and colleagues who have encouraged and encouraged me throughout the process of studying, researching and completing the thesis. Hanoi, March 21, 2022 Thesis author Lê Khánh Pháp ii TABLE OF CONTENTS COMMITMENT.

ii TABLE OF CONTENTS. iii LIST OF TABLES. v LIST OF FIGURES. vi LIST OF ABBREVIATIONS.

Objective and the meaning of the topic. OVERVIEW OF Β-GLUCAN. Definition, chemical structure of β-glucan. Applications of β-glucan.

Sources of β-glucan. OVERVIEW OF SACCHAROMYCES CEREVISIAE. Morphological properties of yeast. Structure of yeast cells.

Definition of protease enzyme. Classification of protease. Applications of protease. METHODS TO DISRUPT THE YEAST CELL WALL AND OBTAIN B-GLUCAN.

Mechanical method to disrupt the yeast cell wall. Sonical method to disrupt the yeast cell wall. Autolysis method to disrupt the yeast cell wall. Using chemical method to obtain β-glucan from yeast cell wall.

MATERIALS AND METHODS. Extraction of β-glucan from yeast residues (Nguyen Quoc Trung, 2021). Optimization of the pilot-scale cell wall digestion process (Illustration diagram). Nutritional analysis method.

RESULTS AND DISCUSSION. RESULTS OF OPTIMIZATION OF WASHING SAMPLE STEP. Results of washing 1 liter of sample. Results of washing 100 liters of sample.

RESULTS OF OPTIMIZATION OF ENZYME INCUBATION. RESULTS OF OPTIMIZATION OF DRYING METHODS. Drying results by method “Convection drying”. Drying results by “ Freeze drying” method.

Drying results by “Heat drying” method. ANALYSIS OF NUTRIENT PROPERTIES OF PRODUCTS. The content of β-glucan in the product. Other nutrient properties of products.

55 iv LIST OF TABLES Table 2.1: A summary of representative β-glucan present in food products. Components of the Megazyme-ireland kit. Nutrient properties of products. 45 v LIST OF FIGURES Figure 2.

Molecular structure and the branched level of β-glucan from several sources .2: Sources and mechanisms of β-glucans dependent on structure. In the panel (a) cereal β-glucans; in the panel (b) fungal β-glucans. Mushroom Saccharomyces cerevisiae. Structure of yeast cells.

Classification of protease. Structure of yeast cell wall. Classification of unit operations for microbial cell disruption. Extraction process of β-glucan from yeast residues ).

Optimization of the extraction process of β-glucan from yeast residues. Freeze drying method. Heat drying method. Convection drying method in Experiment carried out in room 109, Dept.

of Refrigeration Engineering & Air Conditioning, School of TFXtile – Leather and Fashion, Hanoi University of Science and Technology. β-Glucan Assay Kit. Yeast juice collected from the brewery. Yeast fluid after washing the 1st and 2nd times.

Yeast biomass after washing. 100 liters of brewer's yeast. The process of washing 100 liters of yeast residue. Image of yeast obtained after washing.

Enzyme Protease Solution. Incubate 1 liter of yeast solution. Incubate 100 liters of yeast solution. Yeast cells autolysis in protease enzymes.

Drying results by convection drying method. Drying results by Freeze drying method. Heat dryer and product after initial drying. Products after drying and grinding .5 kg of products rich in β-glucan.

GEBIO's Beta Glucan Product. 48 vii LIST OF ABBREVIATIONS DNA : Deoxyribonucleic acid E.coli : Escherichia coli P. dendritiformis : Paenibacillus dendritiformis RNA : Ribonucleic acid S. Cerevisiae : Saccharomyces Cerevisiae β-glucan : beta-glucan viii Chapter I INTRODUCTION 1.

INTRODUCTION Currently, beer production technology and beer consumption market in Vietnam as well as other countries in the world are developing, leading to a large amount of yeast waste that has been discharged into the environment. On average, the amount of yeast residue discharged from beer production accounts for 1-2% of the volume of finished beer, equivalent to 40,000-80,000 tons/year. This amount of yeast residue is mainly used to make animal food or is used as a cheap source of raw materials for the process of making autolytic yeast extract, the rest is discharged directly into the environment causing environmental pollution. And the main component of brewer's yeast is Saccharomyces cerevisiae - yeast.

In yeast, the cell wall accounts for about 20% of the dry weight, of which β-glucan accounts for about 50-60% of the dry matter. The production of products with high economic value such as β-glucan can bring profits to factories while minimizing the environmental impact of these industrial plants. According to study of Nguyen Quoc Trung, 2021. The method has determined that a method of extracting β-glucan from yeast residues achieved 99% efficiency, breaking the cell wall, thereby obtaining products with β-glucan content reaching 28.

However, the method uses a small amount of raw materials, with limitations in terms of output, cost, etc., to be used in animal husbandry. Therefore, I proceed with the topic Pilot Production of Products Rich In Βeta-Glucan from Yeast Residues Using Protease Enzymes. In order to increase 1 the production of β-glucan-rich inoculants, save production costs and optimize the process for application in pilot scale. OBJECTIVE AND THE MEANING OF THE TOPIC Objective Optimization of cell wall disruption method in pilot scale using protease and nutritions measurements of product rich in beta glucan Requirements Optimization of washing sample with step with 100 liters brewer’s yeast Optimization of enzyme incubation with 100 liters brewer’s yeast by using Strotease SP 100 Optimization of drying methods by comparison of freeze-drying method, convection drying method and heat drying method Analysis of nutrient properties of products: Protein; Carbohydrate; Fiber; Lipid; Vitamin B1; Vitamin B2; Vitamin B3; Vitamin D3; Canxi; Phosphorus and β-Glucan.

2 Chapter II LITERATURE REVIEW 2. OVERVIEW OF Β-GLUCAN 2. Definition, chemical structure of β-glucan β-glucan is a component of the cell walls in some pathogenic bacteria such as Pneumocystis carinii, Cryptococcus neoformans, Aspergillus fumigatus, Histoplasma capsulatum, Candida albicans, etc. β-glucan is a non-starch polysaccharide consisting of D-glucose units that are polymerized mainly via the glycosidic bonds.

β-glucans can be built from up to 250,000 glucose residues, and branching may occur in the chain. This glucose molecule can link to another glucose molecule at different positions in the six- carbon ring structure. The indicators 1, 3, 6 represent for the position of the carbon atom with the appropriate glycoside bond and are numbered starting from the position of the oxygen group in the next carbon ring. A β-glycoside bond can form at the C1 prime of one carbon ring with the C3 of the next carbon ring (poly (1→3)-β-D-glucan) or at the C1 to C4 prime (poly (1→ 4)-β-D- glucan) or at the C1 site with C6 (poly (1→6)-β-D-glucan).

The β-D-glucan chains can link together to form large cylindrical structures containing up to 250,000 β-D-glucose units (Vannucci et al. The most common forms of β-glucan are those consisting of D-glucose units with β-1,3 linkages. The β-glucans of yeasts and fungi contain 1-6 side branches, while the cereal β-glucans contain both β-1. The frequency, location and length of side chains may play a role in immune regulation.

Differences in molecular weight, shape and structure of β- glucans lead to differences in biological activity (Volman et al. Molecular structure and the branched level of β-glucan from several sources The chemical structure of the β-glucan chain can vary depending on the source of the isolate, which determines the physical properties such as weight, viscosity, solubility and biological activity (Sasaki & Takasuka, 1976; Zimmerman et al. A distinguishing characteristic of all β-glucans that is necessary for biological activity is its 1,3 backbones. Applications of β-glucan 2.

Application of β-glucan in medicine β-glucans can also be classified by their source, into cereal and non-cereal β- glucans (Figure 2. Cereal β-glucans, which are β-1,3 and β-1,4 linked, mainly display metabolic activities, such as the ability to lower cholesterol and blood glucose and have been explored in clinical studies to target metabolic conditions. These 1,3 and 1,4 linked glucans appear to be recognized as dietary fibres after ingestion and elicit their metabolic effects via this mechanism.2: Sources and mechanisms of β-glucans dependent on structure. In the panel (a) cereal β-glucans; in the panel (b) fungal β-glucans (Murphy et al.

At the University of Lausanne (Switzerland), β-glucan was given to used by a healthy man. Administration of soluble fiber (guar gum, β-glucan) along with a mixed meal to reduce glucose and insulin levels (postprandial) “Monitoring of decreased glucose levels after ingestion of a meal has containing β-glucan is necessary due to the slow absorption and reduction of carbohydrates in the intestine rather than as a result of the effects of fermentation products in the colon” (Roger, 2011). In addition, using of β-glucan is also a particular concern for cancer patients undergoing chemotherapy or radiation therapy. It is due to the potential to 5 accelerate blood recovery when irradiated at lethal doses and below lethal levels, which stimulated bone marrow recovery after chemotherapy and prevented infection during treatment (Kim et al.

Application of β-glucan in food β-glucan isolated from brewer’s yeast cells can be used in a number of food products such as salads, soups, yogurts, some other dairy products, breads, and doughnuts and incorporated into the biscuits. The ability of β-glucan to form a paste is also used in some sausage products and some other meat products (Zechner-Krpan et al. The addition of β-glucan to bakery products significantly affects their technological characteristics, as stated by Kurek et al. (2017a) or Jalil et al.

The main effect of β-glucan addition to bread is reduced loaf volume and an increase in bread firmness (Finocchiaro et al. The water consumption of dough increases proportionally to the partial substitution for wheat flour. It influences the rheological properties of raw dough. Changes in dough viscosity in which β-glucan is present result from its ability to form a gel.

With the increase of its molecular weight and concentration, the viscosity of the solution increases, as well as the reduction of shear rate and viscoelastic properties (Lazaridou and Biliaderis, 2006). During the storage of the bread, β- glucan content in the product does not decrease, but its molecular mass decreases dramatically, which is essential for its bioactivity (Rieder et al., 2018, 2012; Thondre et al. In 2002, scientists used hamsters (with human-like lipoprotein structure) to test the benefits of β-glucan when used as a food additive. Rats fed with high cholesterol food (0.