Luận văn Sử dụng nấm men cố định trong sản xuất bia

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC SVTH : HÀ MINH QUANG MSSV : 60302199 CBHD : PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN BỘ MÔN KỸ THUẬT THỰC PHẨM TP Hồ Chí Minh, 01/2008 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày …… tháng …… năm …….. Chữ ký của giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Ngày …… tháng …… năm …….. Chữ ký của giáo viên phản biện LỜI CẢM ƠN Với khoảng thời gian hơn bốn năm ngồi trên ghế giảng đường, và đặc biệt là hơn bốn tháng làm luận văn tốt nghiệp vừa qua, em đã trưởng thành rất nhiều trong việc nghiên cứu cũng như trong rèn luyện nhân cách bản thân. Để có được những điều này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả các quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa, và đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ thực phẩm, những người đã giúp đỡ và dìu dắt em rất nhiều trên con đường trở thành một kỹ sư, một trí thức trẻ trong tương lai. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy Lê Văn Việt Mẫn đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo và động viên em trong suốt thời gian làm luận văn vừa qua. Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của anh Trần Quốc Hiền đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài này. Con xin cảm ơn mẹ đã hết lòng yêu thương, chăm sóc và cổ vũ tinh thần cho con, giúp con vượt qua được những giai đoạn khó khăn nhất trong công việc cũng như trong cuộc sống. Sinh viên Hà Minh Quang MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH CHƯƠNG 2: Hình 2. 1: Các phương pháp cố định tế bào 4 Hình 2. 2: Quá trình lên men ethanol 4 Hình 2. 3: Các monomer của acid alginic . 4 Hình 2. 4: Cấu trúc các block của phân tử của acid alginic. A: Block G,B: Block M, C: Block MG. 4 Hình 2. 5: Sự liên kết giữa ion Ca2+ và gốc G. 4 Hình 2. 6: Phương pháp tạo gel khuếch tán . 4 Hình 2. 7: Phương pháp tạo gel nội . 4 Hình 2. 8: Con đường hình thành và phân huỷ diacetyl. 4 Hình 2. 9: Sơ đồ quy trình sản xuất bia ứng dụng kĩ thuật lên men bia nồng độ cao. 4 Hình 2. 10: Sự thay đổi hình thái của các tế bào nấm men S.cerevisiae (nấm men chìm). A: trước khi chịu tác động của áp lực thẩm thấu, B: sau 15 phút tiếp xúc với dung dịch sorbitol 20% 4 Hình 2. 11: Sự thay đổi hình thái của các tế bào nấm men chìm. (A): trước khi chịu tác động của ethanol, (B): sau 15 phút tiếp xúc với dung dịch ethanol 10% (v/v). 4 CHƯƠNG 3: Hình 3. 1: Sơ đồ nghiên cứu 4 Hình 3. 2: Sơ đồ quy trình sản xuất bia non trong nghiên cứu. 4 Hình 3. 3: Giản đồ nấu dịch nha . 4 Hình 3. 4: Quy trình cố định nấm men trong gel Ca-alginate. 4 CHƯƠNG 4: Hình 4. 1: Sự biến đổi mật độ nấm men trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Hình 4. 2: Hình chụp cấu trúc gel Ca-alginate trước khi lên men bằng kính hiển vi điện tử quét. A,B: bề mặt và lõi hạt gel ở độ phóng đại 300 lần. C,D: bề mặt và lõi hạt gel ở độ phóng đại 1000 lần. 4 Hình 4. 3: Hình chụp cấu trúc hạt gel Ca-alginate sau quá trình lên men bằng kính hiển vi điện tử quét. A,B: bề mặt và lõi hạt gel ở độ phóng đại 300 lần. C,D: bề mặt và lõi hạt gel ở độ phóng đại 500 lần. 4 Hình 4. 4: Sự biến đổi nồng độ đường khử trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Hình 4. 5: Sự biến đổi nồng độ FAN trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Hình 4. 6: Sự biến đổi nồng độ ethanol tạo thành trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Hình 4. 7: Sự biến đổi pH trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Hình 4. 8: Sự biến đổi nồng độ diacetyl tạo thành trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Hình 4. 9: Sự biến đổi mật độ nấm men trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Hình 4. 10: Sự biến đổi nồng độ đường khử trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Hình 4. 11: Sự biến đổi nồng độ FAN trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Hình 4. 12: Sự biến đổi nồng độ ethanol sinh ra trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Hình 4. 13: Sự biến đổi pH trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Hình 4. 14: Sự biến đổi nồng độ diacetyl trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Hình 4. 15: Nồng độ một số sản phẩm phụ tạo thành trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 DANH MỤC BẢNG CHƯƠNG 2: Bảng 2. 1: Tỉ lệ M/G của một số chế phẩm acid alginic [63]. 4 Bảng 2. 2: So sánh tốc độ sử dụng glucose và tốc độ tạo thành ethanol của nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate [103]. 4 Bảng 2. 3: Sự hình thành một số sản phẩm trung gian trong chu trình đường phân của nấm men tự do và nấm men cố định trong gel alginate [103]. 4 Bảng 2. 4: Hàm lượng một số sản phẩm phụ trong bia non được lên men bằng mấm men tự do và nấm men cố định trong gel Ca-alginate. 4 Bảng 2. 5: Lượng ethyl acetate và iso-amyl acetate trong bia non lên men bằng nấm men cố định trong gel alginate và nấm men tự do. 4 Bảng 2. 6: Hàm lượng diacetyl trong bia non của nấm men tự do và nấm men cố định trong gel Ca – alginate. 4 Bảng 2. 7: Thời gian lên men các dịch nha nồng độ 12 – 30% (w/w) ở 13oC, sử dụng S.cerevisiae cố định trong gel alginate so với nấm men tự do. 4 Bảng 2. 8: Tốc độ tổng hợp ethanol của S.cerevisiae cố định trong gel alginate trong quá trình lên men các dịch nha nồng độ 12 – 30% (w/v) ở 13oC 4 Bảng 2. 9: Khả năng sống sót của nấm men chìm S.cerevisiae cố định trong gel alginate trong quá trình lên men các dịch nha nồng độ 12 – 30% (w/w) ở 13oC. 4 CHƯƠNG 3: Bảng 3. 1: Khối lượng nguyên liệu sử dụng cho một mẻ nấu dịch nha trong nghiên cứu. 4 CHƯƠNG 4: Bảng 4. 1: Sự biến đổi mật độ nấm men trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Bảng 4. 2: Sự biến đổi nồng độ đường khử trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Bảng 4. 3: Tốc độä trung bình sử dụng đường khử của nấm men trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Bảng 4. 4: Sự biến đổi nồng độ FAN trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Bảng 4. 5: Sự biến đổi nồng độ ethanol tạo thành trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Bảng 4. 6: Tốc độtrung bình sinh tổng hợp ethanol trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Bảng 4. 7: Sự biến đổi pH trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Bảng 4. 8: Sự biến đổi nồng độ diacetyl tạo thành trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Bảng 4. 9: Nồng độ một số sản phẩm phụ tạo thành trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Bảng 4. 10: Nồng độ một số sản phẩm phụ tạo thành trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml, kết quả phân tích được quy đổi thành bia non 5% độ cồn. 4 Bảng 4. 11: Nồng độ một số sản phẩm phụ tạo thành trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy thay đổi từ 10 triệu tế bào/ml đến 40 triệu tế bào/ml. 4 Bảng 4. 12: Một vài thông số lên men chính dịch nha 24OBx, sử dụng mật độ giống cấy từ 10 – 40 triệu tế bào/ml, độ lên men 75% 4 Bảng 4. 13: Sự biến đổi mật độ nấm men trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Bảng 4. 14: Sự biến đổi nồng độ đường khử trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Bảng 4. 15: Tốc độ trung bình sử dụng đường khử trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Bảng 4. 16: Sự biến đổi nồng độ FAN trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Bảng 4. 17: Sự biến đổi nồng độ ethanol sinh ra trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Bảng 4. 18: Sự thay đổi tốc độ trung bình sinh ethanol trong dịch lên men khi lên men chính dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, với các thời gian sục khí khác nhau. 4 Bảng 4. 19: Sự biến đổi pH trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Bảng 4. 20: Sự biến đổi nồng độ diacetyl tao thành trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Bảng 4. 21: Nồng độ một số sản phẩm phụ tạo thành trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h. 4 Bảng 4. 22: Nồng độ một số sản phẩm phụ tạo thành trong quá trình lên men chính, sử dụng dịch nha có nồng độ chất khô ban đầu 24OBx, mật độ giống cấy 10 triệu tế bào/ml, thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20h, kết quả phân tích được quy đổi về bia non 5% độ cồn. 4 Bảng 4. 23: Một vài thông số lên men chính dịch nha 24OBx với thời gian sục khí thay đổi từ 0 – 20giờ, độ lên men 75% 4 TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện nay, bia là một trong những loại thức uống phổ biến trên thế giới. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng bia ngày càng gia tăng, các nhà máy sản xuất bia có thể sử dụng nhiều giải pháp kĩ thuật khác nhau. Giải pháp triển vọng nhất là sử dụng kĩ thuật lên men bia nồng độ cao. Tuy nhiên việc sử dung nấm men tự do để lên men bia nồng độ cao có khà nhiều nhược điểm. Để khắc phục những nhược điểm của việc sử dụng nấm men tự do, nhiều nghiên cứu sử dụng nấm men cố định trong sản xuất bia đã được thực hiện và thu được các kết quả đáng chú ý. Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của mật độ giống cấy ban đầu và hàm lượng oxi hòa tan ban đầu trong dịch nha đến động học quá trình sinh trưởng của nấm men cố định trong gel alginate, quá trình sử dụng cơ chất đường khử, nitơ amin và quá trình hình thành một số sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng chất mang alginate – là một chế phẩm được sản xuất trong nước từ loài tảo nâu phát triển tại vùng biển miền trung của Việt Nam. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Như chúng ta đã biết, bia là một trong những sản phẩm lên men có lịch sử lâu đời nhất. Theo các tài liệu cổ, bia có xuất xứ từ Ai Cập vào khoảng thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên. Hiện nay, bia đã trở thành một trong những loại thức uống phổ biến trên thế giới. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng bia ngày càng gia tăng, các nhà máy sản xuất bia có thể sử dụng nhiều giải pháp kĩ thuật khác nhau. Giải pháp triển vọng nhất là sử dụng kĩ thuật lên men bia nồng độ cao. Thông thường dịch nha trong quá trình lên men bia có nồng độ chất khô 10 – 12OBal. Người ta sẽ thực hiện quá trình lên men dịch nha với nồng độ chất khô cao (16 – 24OBal) để thu được sản phẩm bia đậm đặc. Sau đó, bia đậm đặc được pha loãng với nước rồi bão hòa CO2 để tạo ra bia thành phẩm. Kĩ thuật lên men bia nồng độ cao đã mang lại nhiều ưu điểm: Tăng năng suất của nhà máy bia mà không cần đầu tư thêm nhiều thiết bị. Cải thiện một số chỉ tiêu của sản phẩm như: độ trong, độ bền keo của sản phẩm… Cải thiện chỉ tiêu vi sinh của bán thánh phẩm bia non. Tăng tỉ lệ thế liệu, giúp giảm giá thành sản phẩm. Vi sinh vật chủ yếu được sử dụng trong quá trình lên men bia là loài Saccharomyces cerevisiae. Những thành tựu về kĩ thuật di truyền, đột biến và tái tổ hợp gen đã giúp cho các nhà khoa học tìm được những chủng nấm men mới với nhiều đặc tính công nghệ ưu việt như chịu được áp suất thẩm thấu và nồng độ cồn cao. Tuy nhiên, việc sử dụng nấm men tự do trong quy trình lên men bia nồng độ cao có khá nhiều nhược điểm như: Thời gian lên men dài, lượng cơ chất sót cao. Khả năng tái sử dụng nấm men rất thấp. Để khắc phục những nhược điểm trên, nhiều nghiên cứu sử dụng nấm men cố định trong sản xuất bia đã được thực hiện. Kết quả cho thấy nấm men cố định có nhiều ưu điểm hơn so với nấm men tự do: Hiệu suất sử dụng cơ chất cao, rút ngắn thời gian lên men. Bảo vệ nấm men trước những tác động bất lợi của môi trường (áp suất thẩm thấu cao, nồng độ cồn cao…) nhằm ổn định hoạt tính của nấm men. Nâng cao khả năng tái sử dụng của nấm men. Các nghiên cứu trước đây về ứng dụng nấm men cố định trong quá trình lên men bia nồng độ cao chủ yếu khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến hoạt tính trao đổi chất của nấm men cố định và chất lượng bia thành phẩm. Trong nghiên cứu này chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của mật độ giống cấy ban đầu và hàm lượng oxi hòa tan ban đầu trong dịch nha đến động học quá trình sinh trưởng của nấm men cố định trong gel alginate, quá trình sử dụng cơ chất đường khử, nitơ amin và quá trình hình thành một số sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng chất mang alginate – là một chế phẩm được sản xuất trong nước từ loài tảo nâu phát triển tại vùng biển miền trung của Việt Nam. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1. CỐ ĐỊNH TẾ BÀO: 2.1.1. Định nghĩa: Kỹ thuật cố định tế bào được định nghĩa là: “Kỹ thuật bao bọc hoặc định vị các tế bào còn nguyên vẹn trong một “vùng không gian nhất định” nhằm bảo vệ các hoạt tính xúc tác mong muốn” (Karel và cộng sự, 1985). Cố định tế bào là sự bắt chước hiện tượng các tế bào vi sinh vật có khả năng phát triển trên bề mặt hay bên trong cấu trúc của một vài nguyên liệu có trong tự nhiên [38]. Kĩ thuật cố định tế bào bắt đầu được nghiên cứu sâu rộng từ những năm 70 của thế kỉ trước. Nhiều chất mang cũng như kĩ thuật mới đã được nghiên cứu và áp dụng nhằm mở rộng và phát triển các ứng dụng của tế bào cố định [39]. 2.1.2. So sánh tế bào cố định so với tế bào tự do: 2.1.2.1. Ưu điểm: Tạo điều kiện thuận lợi cho việc tách sinh khối ra khỏi môi trường lên men, đơn giản hóa quá trình tách sinh khối và thu sản phẩm lên men [5]. Tăng khả năng tái sử dụng của tế bào [5, 13]. Tăng mật độ tế bào sử dụng trong thiết bị lên men [5, 13]. Dễ dàng điều khiển mật độ tế bào trong thiết bị lên men [13]. Hạn chế sự ảnh hưởng của các vi sinh vật tạp lên tế bào [56]. Thực hiện được quá trình lên men liên tục mà tế bào ít bị rửa trôi [5, 13]. Tăng khả năng chống lại các điều kiện bất lợi của môi trường lên tế bào như sự thay đổi về nhiệt độ, pH, áp suất thẩm thấu hay sự xuất hiện các chất ức chế trong môi trường lên men [5, 13, 56, 69]. 2.1.2.2. Nhược điểm: Không áp dụng cho các quá trình lên men mà sản phẩm thu được là sinh khối vi sinh vật hay các sản phẩm trao đổi chất nội bào [5, 13]. Sự phát triển sinh khối bên trong chất mang có thể phá hỏng cấu trúc của nó, làm cho các tế bào bị rửa trôi ra khỏi chất mang. Khi đó việc tách và thu nhận sản phẩm cũng khó khăn như quá trình lên men sử dụng tế bào tự do [39]. Một số chất mang và phương pháp cố định có thể làm ảnh hưởng đến hoạt tính của tế bào [5, 39]. Cấu trúc của chất mang có thể ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của tế bào với môi trường [5, 39]. Chi phí của việc sử dụng chất mang cũng như phương pháp cố định sẽ ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm[7]. Như vậy, ưu điểm nổi bật của kĩ thuật cố định là giúp cho tế bào giữ được hoạt tính sinh