Tổng quan nghiên cứu

Bacteriocin là các hợp chất protein do vi khuẩn sinh tổng hợp, có khả năng ức chế sự phát triển của các vi khuẩn khác, đặc biệt là các chủng vi khuẩn Gram dương. Lactobacillus acidophilus là một trong những vi khuẩn lactic acid bacteria (LAB) có khả năng sản xuất bacteriocin với tính chất bền nhiệt và phổ kháng khuẩn rộng, được ứng dụng rộng rãi trong bảo quản thực phẩm. Tuy nhiên, việc thương mại hóa các chế phẩm bacteriocin dạng bột còn hạn chế do chưa tối ưu hóa quy trình sản xuất, đặc biệt là công nghệ sấy phun.

Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa các điều kiện sấy phun để tạo chế phẩm bacteriocin dạng bột có nguồn gốc từ vi khuẩn Lactobacillus acidophilus, đồng thời khảo sát các đặc tính sinh học và theo dõi thời gian bảo quản của chế phẩm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính bacteriocin trong quá trình sấy phun như nhiệt độ không khí sấy, lưu lượng nhập liệu và tỷ lệ bổ sung maltodextrin. Thời gian nghiên cứu kéo dài một năm, từ tháng 7/2014 đến tháng 7/2015, tại trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất chế phẩm bacteriocin dạng bột, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng bacteriocin trong bảo quản thực phẩm, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các chất bảo quản hóa học truyền thống, đồng thời mở rộng khả năng thương mại hóa sản phẩm.

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 về bacteriocin: Bacteriocin là protein hoặc peptide do vi khuẩn Gram dương và Gram âm tổng hợp, có khả năng ức chế vi khuẩn khác. Bacteriocin của LAB được phân loại thành 4 lớp chính, trong đó lớp I (lantibiotic) và lớp II (bacteriocin nhỏ, bền nhiệt) có tiềm năng ứng dụng công nghiệp cao. Lactobacillus acidophilus sản xuất các bacteriocin thuộc lớp II với đặc tính bền nhiệt, phổ kháng khuẩn rộng, đặc biệt kháng các vi khuẩn Gram dương như Bacillus sp.

  • Mô hình sấy phun: Sấy phun là quá trình chuyển đổi dung dịch thành dạng bột bằng cách phun sương và sấy khô nhanh trong buồng sấy với không khí nóng. Các yếu tố ảnh hưởng chính gồm nhiệt độ không khí đầu vào, lưu lượng nhập liệu, tỷ lệ chất mang (maltodextrin). Sấy phun giúp tạo ra sản phẩm bột mịn, đồng nhất, giữ được hoạt tính sinh học của bacteriocin.

  • Phương pháp tối ưu hóa bằng quy hoạch thực nghiệm (Response Surface Methodology - RSM): Phương pháp này được sử dụng để xác định điều kiện tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính bacteriocin sau sấy phun, bao gồm nhiệt độ sấy, tỷ lệ maltodextrin và tốc độ bơm nhập liệu. Thiết kế thí nghiệm cấu trúc có tâm với 17 nghiệm thức được áp dụng để xây dựng mô hình hồi quy và phân tích tương tác giữa các yếu tố.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dịch bacteriocin được thu nhận từ quá trình lên men chủng Lactobacillus acidophilus đã được tối ưu trước đó. Các chủng vi khuẩn chỉ thị gồm Bacillus sp. và Escherichia coli được sử dụng để đánh giá hoạt tính kháng khuẩn.

  • Phương pháp phân tích: Hoạt tính bacteriocin được xác định bằng phương pháp pha loãng hai lần liên tiếp và so sánh với đường chuẩn nisin. Các đặc tính sinh học như khả năng chịu nhiệt, chịu pH, chịu NaCl được khảo sát bằng cách xử lý dịch bacteriocin ở các điều kiện khác nhau và đo hoạt tính còn lại.

  • Thiết bị và quy trình sấy phun: Máy sấy phun Labplant SD-06AG với vòi phun áp lực khí nén, tốc độ bơm nhập liệu từ 4,67 đến 8,08 ml/phút, nhiệt độ không khí đầu vào từ 100 đến 180°C. Maltodextrin được bổ sung với tỷ lệ từ 8,5 đến 22,5 Bx làm chất mang.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 12 tháng, từ tháng 7/2014 đến tháng 7/2015, bao gồm các giai đoạn khảo sát đặc tính bacteriocin, khảo sát ảnh hưởng các yếu tố sấy phun, tối ưu hóa điều kiện sấy và theo dõi thời gian bảo quản.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hoạt tính kháng khuẩn của dịch bacteriocin: Dịch bacteriocin thể hiện hoạt tính kháng khuẩn mạnh với Bacillus sp. (hoạt tính 800 AU/ml ở độ pha loãng 2^12 = 4096 lần) và yếu hơn với Escherichia coli (hoạt tính 800 AU/ml ở độ pha loãng 2^4 = 16 lần). Điều này phù hợp với đặc tính bacteriocin của vi khuẩn Gram dương có phổ kháng khuẩn chủ yếu trên vi khuẩn Gram dương.

  2. Khả năng chịu nhiệt: Bacteriocin duy trì hoạt tính sau khi xử lý ở nhiệt độ từ 40°C đến 110°C trong 15 phút, giảm nhẹ ở 121°C nhưng vẫn còn hoạt tính. Đây là đặc tính bền nhiệt quan trọng cho ứng dụng trong công nghệ sấy phun và bảo quản thực phẩm.

  3. Khả năng chịu NaCl: Bacteriocin không mất hoạt tính khi xử lý với NaCl ở nồng độ từ 1% đến 7% trong 5 giờ ở 37°C, cho thấy khả năng chịu muối cao, phù hợp với ứng dụng trong các sản phẩm thực phẩm có hàm lượng muối khác nhau.

  4. Khả năng chịu pH: Bacteriocin hoạt động ổn định trong khoảng pH từ 2 đến 8, mất hoạt tính hoàn toàn ở pH > 10. Khoảng pH hoạt động rộng giúp bacteriocin thích hợp với nhiều môi trường thực phẩm khác nhau.

  5. Ảnh hưởng của các yếu tố sấy phun:

    • Nhiệt độ sấy tối ưu là 153,6°C, với hoạt tính bacteriocin thu được đạt 202 AU/ml. Nhiệt độ thấp hơn 150°C làm tăng độ ẩm sản phẩm, gây khó khăn trong bảo quản; nhiệt độ cao hơn 150°C làm giảm hoạt tính do biến tính protein.

    • Tỷ lệ bổ sung maltodextrin tối ưu là 15,1 Bx, giúp tăng tỷ lệ thu hồi sản phẩm và duy trì hoạt tính bacteriocin.

    • Lưu lượng nhập liệu tối ưu là 4,67 ml/phút, đảm bảo thời gian lưu trong buồng sấy đủ để sấy khô mà không làm giảm hoạt tính.

  6. Theo dõi thời gian bảo quản: Hoạt tính bacteriocin của chế phẩm dạng bột giảm không đáng kể sau 30 ngày bảo quản ở nhiệt độ phòng, cho thấy chế phẩm có tính ổn định cao trong điều kiện bảo quản thông thường.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy bacteriocin từ Lactobacillus acidophilus có đặc tính bền nhiệt, chịu muối và pH rộng, phù hợp với yêu cầu ứng dụng trong bảo quản thực phẩm. Việc tối ưu hóa điều kiện sấy phun giúp duy trì hoạt tính bacteriocin cao, đồng thời tạo ra sản phẩm bột có độ ẩm thấp, thuận lợi cho bảo quản lâu dài.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả về nhiệt độ sấy và tỷ lệ maltodextrin tương đồng với các nghiên cứu về bacteriocin từ các chủng LAB khác, đồng thời ưu điểm của sấy phun là chi phí thấp hơn so với sấy thăng hoa nhưng vẫn giữ được hoạt tính sinh học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hoạt tính bacteriocin theo nhiệt độ sấy, tỷ lệ maltodextrin và lưu lượng nhập liệu, cũng như bảng so sánh hoạt tính bacteriocin trước và sau các xử lý nhiệt, pH, NaCl để minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các yếu tố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình sấy phun với nhiệt độ 153,6°C, tỷ lệ maltodextrin 15,1 Bx và lưu lượng nhập liệu 4,67 ml/phút để sản xuất chế phẩm bacteriocin dạng bột, nhằm tối ưu hoạt tính và chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể: các nhà sản xuất thực phẩm chức năng và công ty công nghệ sinh học.

  2. Phát triển quy trình bảo quản chế phẩm bacteriocin ở nhiệt độ phòng với theo dõi định kỳ hoạt tính để đảm bảo ổn định sản phẩm trong vòng ít nhất 30 ngày. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình sản xuất, chủ thể: bộ phận kiểm soát chất lượng.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng bacteriocin trong các sản phẩm thực phẩm có hàm lượng muối và pH khác nhau, tận dụng khả năng chịu NaCl và pH rộng của bacteriocin. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp thực phẩm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ sấy phun tối ưu cho các cơ sở sản xuất nhỏ và vừa nhằm nâng cao năng lực sản xuất chế phẩm bacteriocin thương mại. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: trường đại học, trung tâm nghiên cứu và các tổ chức hỗ trợ doanh nghiệp.

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 lý thuyết và thực nghiệm về bacteriocin và công nghệ sấy phun, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng và bảo quản thực phẩm: Áp dụng quy trình tối ưu để sản xuất chế phẩm bacteriocin dạng bột, nâng cao chất lượng và giá trị sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý và kiểm định chất lượng thực phẩm: Tham khảo các tiêu chuẩn và đặc tính của bacteriocin để xây dựng quy định về sử dụng chất bảo quản sinh học trong thực phẩm.

  4. Các trung tâm đào tạo và chuyển giao công nghệ: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy và hướng dẫn kỹ thuật cho các đơn vị sản xuất nhỏ và vừa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bacteriocin là gì và tại sao lại quan trọng trong bảo quản thực phẩm?
    Bacteriocin là protein do vi khuẩn sản xuất có khả năng ức chế vi khuẩn khác, giúp kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm bằng cách ngăn chặn vi khuẩn gây hư hỏng. Ví dụ, nisin được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm.

  2. Tại sao cần tối ưu hóa điều kiện sấy phun khi tạo chế phẩm bacteriocin?
    Sấy phun giúp chuyển bacteriocin thành dạng bột dễ bảo quản và sử dụng. Tuy nhiên, nhiệt độ và các yếu tố khác ảnh hưởng đến hoạt tính bacteriocin, do đó cần tối ưu để giữ hoạt tính cao nhất.

  3. Maltodextrin có vai trò gì trong quá trình sấy phun?
    Maltodextrin là chất mang giúp bảo vệ bacteriocin khỏi biến tính do nhiệt, đồng thời cải thiện hiệu suất thu hồi sản phẩm và giảm độ ẩm bột sau sấy.

  4. Chế phẩm bacteriocin có thể bảo quản được bao lâu ở nhiệt độ phòng?
    Theo nghiên cứu, hoạt tính bacteriocin giảm không đáng kể sau 30 ngày bảo quản ở nhiệt độ phòng, cho thấy chế phẩm có độ ổn định cao trong khoảng thời gian này.

  5. Bacteriocin có thể ứng dụng trong những loại thực phẩm nào?
    Bacteriocin thích hợp cho các sản phẩm từ sữa, thịt, hải sản và các thực phẩm lên men, đặc biệt những sản phẩm có pH từ 2 đến 8 và hàm lượng muối từ 1% đến 7%.

Kết luận

  • Bacteriocin từ Lactobacillus acidophilus có đặc tính bền nhiệt, chịu pH và NaCl rộng, phù hợp ứng dụng trong bảo quản thực phẩm.
  • Nhiệt độ sấy phun tối ưu là 153,6°C, tỷ lệ maltodextrin 15,1 Bx và lưu lượng nhập liệu 4,67 ml/phút giúp duy trì hoạt tính bacteriocin cao.
  • Chế phẩm bacteriocin dạng bột giữ được hoạt tính ổn định sau 30 ngày bảo quản ở nhiệt độ phòng.
  • Quy trình sấy phun tối ưu có thể áp dụng trong sản xuất công nghiệp để tạo ra chế phẩm bacteriocin thương mại.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu ứng dụng bacteriocin trong các sản phẩm thực phẩm đa dạng và phát triển công nghệ bảo quản lâu dài.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên triển khai áp dụng quy trình tối ưu này trong sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng và cải tiến công nghệ bảo quản.