THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM LÊN MEN (PGS.TS Nguyễn Tấn Dũng)

GIÁO TRÌNH GIẢNG DẠY TRƯỜNG ĐH SPKT TP HCM

Ths Nguyễn Thanh Tú eBook Collection

THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM LÊN MEN (PGS.TS Nguyễn Tấn Dũng) - Bộ sưu tập Thư Viện Số Dạy Kèm Quy Nhơn PDF VERSION | 2022 EDITION ORDER NOW / CHUYỂN GIAO QUA EMAIL TAILIEUCHUANTHAMKHAO@GMAIL.COM

Tài liệu chuẩn tham khảo Phát triển kênh bởi Ths Nguyễn Thanh Tú Đơn vị tài trợ / phát hành / chia sẻ học thuật : Nguyen Thanh Tu Group Hỗ trợ trực tuyến Fb www.facebook.com/DayKemQuyNhon Mobi/Zalo 0905779594

AL

OF F

IC I

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH *******************

ƠN

PGS.TS Nguyễn Tấn Dũng, ThS. Mai Thị Hải Anh, KS. Đỗ Thùy Khánh Linh, ThS. Nguyễn Đặng Mỹ Duyên,

NH

ThS. Đặng Thị Ngọc Dung

QU

Y

THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN

DẠ Y

KÈ M

SẢN PHẨM LÊN MEN

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2020

4

Y

DẠ

M

KÈ Y

QU ƠN

NH

OF

CI AL

FI

CI AL

MỤC LỤC

FI

MỤC LỤC................................................................................................. 5 DANH MỤC HÌNH................................................................................. 11 DANH MỤC BẢNG............................................................................... 17

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM LÊN MEN..................................................... 19 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÊN MEN............................................. 19 1.2. QUY TRÌNH SẢN XUẤT SẢN PHẨM LÊN MEN TỔNG QUÁT............................................................................................... 20 1.2.1. Quy trình tổng quát sản xuất các sản phẩm lên men.............. 20 1.2.2. Thuyết minh quy trình sản xuất các sản phẩm lên men......... 21 1.3. PHÂN LOẠI SẢN PHẨM LÊN MEN............................................. 22 1.3.1. Sinh khối (biomass)................................................................ 22 1.3.1.1. Nấm men chăn nuôi, nấm men bánh mì................... 24 1.3.1.2. Các chế phẩm vi sinh vật cố định đạm..................... 25 1.3.1.3. Các chế phẩm hoặc thuốc trừ sâu vi sinh.................. 26 1.3.1.4. Vaccine...................................................................... 29 1.3.2. Các sản phẩm trao đổi chất..................................................... 30 1.3.2.1 Sản phẩm cuối của sự trao đổi chất và năng lượng......... 30 1.3.2.2. Các chất trao đổi bậc 1.............................................. 37 1.3.2.3. Các chất trao đổi bậc 2.............................................. 93 1.3.2.4. Các enzyme............................................................. 111 1.3.3. Sản phẩm của sự chuyển hoá (transformation product)....... 123 1.4. KHÁI NIỆM VỀ THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM....... 123 1.5. VAI TRÒ THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM.................. 124 1.6. KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM.................................................................................... 125 1.6.1. Thiết bị.................................................................................. 125 1.6.2. Quy trình công nghệ............................................................. 126 1.6.3. Bao gói................................................................................. 127 5

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÁCH THU HỒI SẢN PHẨM....... 128 2.1. PHƯƠNG PHÁP TÁCH CHẤT RẮN RA KHỎI CHẤT LỎNG....... 128 2.1.1. Phương pháp lọc................................................................... 128 2.1.1.1. Định nghĩa............................................................... 128 2.1.1.2. Vận tốc của quá trình lọc........................................ 129 2.1.1.3. Cân bằng vật chất của quá trình lọc........................ 130 2.1.1.4. Trở lực riêng của bã lọc.......................................... 132 2.1.1.5. Phương trình lọc...................................................... 133 2.1.2. Phương pháp ly tâm.............................................................. 136 2.1.2.1. Phương pháp ly tâm lắng........................................ 137 2.1.2.2. Phương pháp ly tâm lọc.......................................... 140 2.1.2.3. Một số loại máy ly tâm........................................... 141 2.2. PHÁ VỠ TẾ BÀO........................................................................... 151 2.2.1. Dùng sóng siêu âm phá vỡ tế bào......................................... 151 2.2.1.1. Khái niệm................................................................ 151 2.2.1.2. Nguyên tắc.............................................................. 152 2.2.1.3. Thông số quá trình phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm......................................................................................... 154 2.2.1.4. Thiết bị phát sóng siêu âm...................................... 155 2.2.2. Dùng áp suất cao.................................................................. 156 2.2.2.1. Nguyên tắc.............................................................. 156 2.2.2.2. Phương pháp........................................................... 156 2.2.2.3. Sử dụng máy nghiền hạt......................................... 157 2.2.3. Sử dụng nén đông kết........................................................... 158 2.2.4. Sử dụng phương pháp lytic hoặc phương pháp phi cơ học........ 158 2.2.4.1. Phương pháp hóa học.............................................. 158 2.2.4.2. Phương pháp enzyme (phương pháp sinh học)........ 159 2.3. PHƯƠNG PHÁP TÁCH HỖN HỢP CHẤT.................................. 160 2.3.1. Phương pháp trích ly hai pha lỏng........................................ 160 2.3.2. Phương pháp màng lọc......................................................... 163 2.3.3. Phương pháp thoát hơi nước qua màng................................ 164 2.3.4. Phương pháp hấp phụ........................................................... 164 2.3.5. Phương pháp kết tủa............................................................. 165 2.4. CÔNG NGHỆ CHIẾT SUẤT SIÊU TỚI HẠN SFE...................... 166

6

CI AL

2.4.1. Chất lỏng siêu tới hạn........................................................... 166 2.4.2. Chiết xuất chất lỏng siêu tới hạn (SFE)................................ 169 2.4.2.1. Ưu điểm của phương pháp...................................... 169 2.4.2.2. Hạn chế của phương pháp....................................... 170 2.4.2.3. Chất lỏng siêu tới hạn CO2..................................... 170 2.4.2.4. Ứng dụng công nghệ tách chiết siêu tới hạn........... 173

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP TINH SẠCH SẢN PHẨM........ 174 3.1. CÔ ĐẶC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA............................... 174 3.1.1. Kết tủa đẳng điện.................................................................. 174 3.1.2. Kết tủa bằng muối trung tính................................................ 175 3.1.3. Kết tủa bằng dung môi hữu cơ............................................. 176 3.1.4. Thay đổi thành phần hóa học của môi trường làm sạch sản phẩm......................................................................................... 176 3.1.5. Sử dụng các chất trợ kết tủa................................................. 177 3.1.6. Kết tủa bằng các polymer có khối lượng phân tử cao.......... 177 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ.................................................... 177 3.2.1. Khái niệm về sắc ký............................................................. 177 3.2.2. Sắc ký trao đổi ion (ion exchange chromatography)............ 180 3.2.2.1. Định nghĩa............................................................... 180 3.2.2.2. Bản chất của quá trình sắc ký trao đổi ion.............. 181 3.2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng............................................. 189 3.2.2.4. Ứng dụng của sắc ký trao đổi ion........................... 189 3.2.3. Sắc ký lọc gel....................................................................... 191 3.2.3.1. Nguyên tắc.............................................................. 191 3.2.3.2 Các loại hạt gel của sắc ký gel................................. 192 3.2.3.3 Các bước cơ bản trong thực hiện sắc ký gel............ 193 3.2.3.4. Ứng dụng................................................................ 195 3.2.4. Sắc ký ái lực......................................................................... 195 3.2.4.1. Nguyên lý................................................................ 196 3.2.4.2. Các bước trong sắc ký ái lực................................... 196 3.2.4.3. Một số phương pháp cố định ligand trên matrix....... 197 3.2.5. Sắc ký hấp phụ..................................................................... 199 3.2.5.1. Dung môi................................................................ 199

7

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

3.2.5.2. Chất hấp phụ pha tĩnh............................................. 200 3.2.5.3. Chuẩn bị chất hấp phụ............................................. 201 3.2.5.4. Các loại sắc ký hấp phụ.......................................... 201 3.2.6. Sắc ký ngược pha................................................................. 205 3.2.7. Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)...................................... 210 3.2.7.1. Cấu tạo hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC........ 211 3.2.7.2. Các kỹ thuật sắc ký HPLC cơ bản.......................... 213 3.2.7.3. Một số hướng dẫn chọn kỹ thuật HPLC................. 218 3.3. LỌC MÀNG – MEMBRANE FILTRATION................................ 219 3.3.1. Cơ sở khoa học..................................................................... 219 3.3.2. Một số thiết bị phân riêng bằng màng.................................. 225 3.3.3. Đánh giá hiệu quả của quá trình phân riêng bằng màng....... 229 3.3.4. Các hiện tượng thường xảy ra trong quá trình phân riêng bằng màng...................................................................................... 230 3.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc màng..................... 231 3.4. PHƯƠNG PHÁP KẾT TINH......................................................... 233 3.4.1. Nguyên lý trợ tinh................................................................ 234 3.4.2. Quản lý trợ tinh.................................................................... 236 3.4.3. Phương thức giảm nhiệt độ.................................................. 238 3.4.4. Thời gian trợ tinh.................................................................. 238 3.4.5. Chọn nhiệt độ kết thúc trợ tinh............................................. 239 3.4.6. Khuấy trộn............................................................................ 242 3.4.6.1. Khái niệm................................................................ 242 3.4.6.2. Những kết cấu chống lõm....................................... 248 3.4.6.3. Phương pháp chọn dạng cánh khuấy...................... 250 3.4.6.4. Công suất tiêu thụ................................................... 251 3.4.6.5. Chọn số vòng quay................................................. 252 3.5. TINH CHẾ CỒN............................................................................. 252

DẠ

Y

Chương 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP HOÀN THIỆN SẢN PHẨM........ 259 4.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY.......................................................... 259 4.1.1. Lý thuyết sấy........................................................................ 259 4.1.2. Nguyên tắc cơ bản của quá trình sấy bằng nhiệt.................. 260 4.1.3. Các phương pháp sấy nhiệt trong môi trường khí quyển........ 260

8

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

4.1.3.1. Sấy đối lưu.............................................................. 260 4.1.3.2. Sấy phun................................................................. 268 4.1.3.3. Sấy tầng sôi............................................................. 271 4.1.3.4. Sấy bơm nhiệt (HPD: Sấy lạnh).............................. 273 4.1.4. Các phương pháp sấy trong môi trường kín......................... 275 4.1.4.1. Sấy chân không....................................................... 275 4.1.4.2. Sấy thăng hoa.......................................................... 285 4.1.4.3. Các phương pháp sấy khác.................................... 304 4.2. PHƯƠNG PHÁP LÀM TRONG SẢN PHẨM.............................. 312 4.2.1. Làm trong bằng phương pháp vật lý.................................... 313 4.2.1.1. Phương pháp lắng gián đoạn................................... 313 4.2.1.2. Phương pháp lắng bán liên tục................................ 314 4.2.1.3. Phương pháp lắng liên tục...................................... 315 4.2.1.4. Tính cân bằng vật chất............................................ 316 4.2.1.5. Hiệu suất quá trình lắng.......................................... 317 4.2.1.6. Xác định tốc độ lắng............................................... 318 4.2.1.7. Tính toán các thông số thiết bị................................ 319 4.2.2. Làm trong bằng phương pháp hóa học................................. 320 4.2.3. Làm trong bằng phương pháp hóa sinh................................ 320 4.3. PHƯƠNG PHÁP THANH TRÙNG............................................... 320 4.3.1. Tổng quan về thanh trùng..................................................... 320 4.3.1.1. Mục đích thanh trùng.............................................. 320 4.3.1.2. Yêu cầu kỹ thuật..................................................... 321 4.3.1.3. Phân loại.................................................................. 321 4.3.2. Các phương pháp thanh trùng.............................................. 321 4.3.2.1. Nguyên lý cấu tạo................................................... 322 4.3.2.2. Cấu tạo và sử dụng thiết bị thanh trùng.................. 323 4.3.3. Lý thuyết tính toán quá trình thanh trùng............................. 329 4.3.3.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình thanh trùng............... 329 4.3.3.2. Thời gian và nhiệt độ thanh trùng........................... 333 4.3.3.3. Lý thuyết tính toán một số thiết bị thanh trùng....... 334 4.4. PHƯƠNG PHÁP PHỐI TRỘN...................................................... 341 4.4.1. Định nghĩa............................................................................ 341 4.4.2. Phân loại............................................................................... 341

9

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

4.4.3. Bản chất của quá trình phối trộn.......................................... 341 4.4.4. Các thông số cơ bản của quá trình phối trộn........................ 342 4.4.4.1. Tỷ lệ phối trộn......................................................... 342 4.4.4.1. Tỷ lệ phần trăm....................................................... 342 4.5. PHƯƠNG PHÁP ĐÓNG GÓI........................................................ 342 4.5.1. Bao bì thuỷ tinh.................................................................... 342 4.5.1.1. Đặc tính chung........................................................ 342 4.5.1.2. Phân loại.................................................................. 343 4.5.1.3. Thiết bị chiết rót...................................................... 344 4.5.2. Bao bì kim loại..................................................................... 346 4.5.2.1. Đặc tính chung........................................................ 346 4.5.2.2. Phân loại.................................................................. 346 4.5.2.2. Thiết bị chiết rót...................................................... 348 4.5.3. Bao bì plastic........................................................................ 348 4.5.3.1. Đặc tính chung........................................................ 348 4.5.3.2. Thiết bị chiết rót...................................................... 349 4.5.4. MAP – kỹ thuật đóng gói khí quyển điều chỉnh................... 350 4.5.4.1. Đặc tính của MAP................................................... 350 4.5.4.2. Thiết lập sự cân bằng của khí quyển điều chỉnh......... 351 4.5.4.3. Nguyên tắc – hiệu quả của MAP có hàm lượng O2 cao................................................................................... 352

DẠ

Y

KÈ

M

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 355

10

DANH MỤC HÌNH

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

Hình 1.1. Quy trình tổng quát sản xuất các sản phẩm lên men................ 20 Hình 1.2. Quy trình sản xuất nấm men bánh mì...................................... 24 Hình 1.3. Quy trình sản xuất chế phẩm Bt............................................... 27 Hình 1.4. Liên kết giữa hai phân tử acid acetic....................................... 31 Hình 1.5. Quy trình sản xuất ethanol từ sắn............................................ 35 Hình 1.6. Cấu tạo phân tử Glucose.......................................................... 39 Hình 1.7. Cấu tạo phân tử Fructose......................................................... 40 Hình 1.8. Cấu tạo phân tử Saccharose..................................................... 41 Hình 1.9. Cấu tạo của phân tử Maltose.................................................... 44 Hình 1.10. Cấu tạo của phân tử Lactose.................................................. 44 Hình 1.11. Cấu tạo của phân tử Rafinose................................................. 45 Hình 1.12. Công thức cấu tạo 2 dạng của vitamin A............................... 48 Hình 1.13. Công thức cấu tạo vitamin D................................................. 49 Hình 1.14. Công thức cấu tạo vitamin E.................................................. 49 Hình 1.15. Công thức cấu tạo vitamin B1................................................ 50 Hình 1.16. Công thức cấu tạo vitamin B2................................................ 51 Hình 1.17. Công thức cấu tạo vitamin C................................................. 51 Hình 1.18. Cấu tạo phân tử Cacbolin....................................................... 60 Hình 1.19. Công thức cấu tạo của Triaxylglixerin................................... 63 Hình 1.20. Phản ứng xà phòng hóa.......................................................... 67 Hình 1.21. Công thức cấu tạo của phenantren, perhydrophenantren và xiclopentan........................................................................ 70 Hình 1.22. Công thức cấu tạo colestanol................................................. 71 Hình 1.23. Công thức của các sterol acid colic........................................ 73 Hình 1.24. Công thức của một số sterol (và dẫn xuất) khác.................... 74 Hình 1.25. Công thức phân tử phosphatidic acid..................................... 74 Hình 1.26. Sơ đồ cấu trúc hóa học của các phospholipit......................... 75 Hình 1.27. Công thức phân tử Acetylcolin.............................................. 76 Hình 1.28. Công thức cấu tạo Betain....................................................... 76 Hình 1.29. Công thức cấu tạo của a - glicerophosphatid........................ 77 Hình 1.30. Công thức cấu tạo của một số phosphatid............................. 77

11

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

Hình 1.31. Vị trí tác dụng của phospholipase.......................................... 78 Hình 1.32. Vị trí liên kết giữa gốc izonid và gốc phosphat..................... 79 Hình 1.33. Công thức phân tử diphosphatizonid..................................... 79 Hình 1.34. Cấu tạo phân tử sphingozin.................................................... 80 Hình 1.35. Cấu tạo phân tử Sphingolipid................................................ 80 Hình 1.36. Cấu tạo phân tử Phitosphingozin........................................... 81 Hình 1.37. Cấu tạo phân tử cerebron....................................................... 81 Hình 1.38. Công thức cấu tạo sulphatid................................................... 82 Hình 1.39. Các sản phẩm của sự ôi hóa hóa học..................................... 84 Hình 1.40. Sự ôi hóa do enzyme lipoxygenase........................................ 89 Hình 1.41. Phản ứng ôi hóa ceton............................................................ 90 Hình 1.42. Quy trình công nghệ sản xuất Lysine..................................... 91 Hình 1.43. Cấu tạo của Isoprene.............................................................. 97 Hình 1.44. Cấu tạo phân tử Myrcene và Oxymen................................... 97 Hình 1.45. Cấu tạo phân tử limonene và các dẫn xuất của nó................. 98 Hình 1.46. Cấu tạo hóa học của lycopene, vitamin A và các dạng α, β, γ-carotene....................................................................... 99 Hình 1.47. Cấu tạo dạng cis (trên) và trans (dưới) của polyisoprene.......... 99 Hình 1.48. Cấu tạo phân tử Rixinin....................................................... 100 Hình 1.49. Cấu tạo phân tử Piperin........................................................ 100 Hình 1.50. Cấu tạo phân tử Nicotin....................................................... 101 Hình 1.51. Công thức cấu tạo phân tử caffeine..................................... 101 Hình 1.52. Cấu tạo flavonoid có dạng C6-C3-C6.................................. 101 Hình 1.53. Công thức phân tử Pelagonidin............................................ 102 Hình 1.54. Công thức phân tử Cyanidin................................................ 102 Hình 1.55. Công thức phân tử Delphinidin............................................ 103 Hình 1.56. Công thức cấu tạo phân tử Catechin.................................... 104 Hình 1.57. Công thức cấu tạo Leucoanthocyanin.................................. 104 Hình 1.58. Công thức cấu tạo phân tử Amigladin................................. 105 Hình 1.59. Công thức cấu tạo phân tử Kinetin...................................... 107 Hình 1.60. Công thức cấu tạo phân tử Zeatin........................................ 107 Hình 1.61. Công thức cấu tạo phân tử 6-dimethylallyl amino purin........ 108 Hình 1.62. Công thức cấu tạo phân tử Diphenyl urea............................ 108

12

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

Hình 1.63. Công thức cấu tạo của Abscisic acid.................................... 109 Hình 1.64. Công thức hóa học của Gibberellin acid (GA3).................. 109 Hình 1.65. Sơ đồ các bậc cấu trúc của protein.................................... 117 Hình 1.66. Cấu trúc bậc nhất của ribonuclease của bò....................... 118 Hình 1.67. Các kiểu xoắn trong cấu trúc bậc 2 của protein............... 118 Hình 1.68. Cấu trúc bậc 3 của myoglobin và bậc 4 của hemoglobin........ 119 Hình 1.69. Quy trình sản xuất enzyme.................................................. 121 Hình 1.71. Công nghệ sấy sữa hai giai đoạn.......................................... 126 Hình 1.70. Công nghệ sấy sữa một giai đoạn........................................ 126 Hình 2.1. Cấu tạo màng lọc................................................................... 128 Hình 2.2. Cân bằng vật chất................................................................... 130 Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý máy ly tâm.................................................. 138 Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý máy ly tâm lọc............................................ 140 Hình 2.6. Máy ly tâm ống...................................................................... 142 Hình 2.7. Máy ly tâm vít tải................................................................... 144 Hình 2.8a. Máy ly tâm lắng tự động...................................................... 145 Hình 2.8b. Máy ly tâm lắng tự động...................................................... 146 Hình 2.9. Máy ly tâm dạng Ô................................................................ 148 Hình 2.10. Máy ly tâm tự động dạng Φ Ê - 1254 K- 7 kiểu chống nổ......... 149 Hình 2.11. Phạm vi tần số sóng siêu âm................................................ 152 Hình 2.12. Quá trình hình thành, phát triển và vỡ của bọt khí.............. 154 Hình 2.13. Các khoảng tần số của sóng siêu âm.................................... 155 Hình 2.14. Thiết bị phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm............................ 155 Hình 2.15. Mô hình mô phỏng thiết bị phá vỡ tế bào bằng áp lực cao........ 156 Hình 2.16. Hạt nghiền và máy nghiền hạt............................................. 157 Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý trích ly....................................................... 161 Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý trích ly một đoạn....................................... 162 Hình 2.19. Sơ đồ nguyên lý trích ly nhiều đoạn.................................... 162 Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý trích ly liên tục nhiều đoạn nghịch lưu........ 163 Hình 2.21. Sơ đồ nguyên lý màng lọc................................................... 163 Hình 2.22. Biểu đồ pha nhiệt độ, áp suất............................................... 168 Hình 2.23. Biểu đồ pha nhiệt độ, áp suất............................................... 169 Hình 2.24. Hệ thống trích ly siêu tới hạn............................................... 171

13

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý a) Sắc ký cột; b) Sắc ký bản mỏng............. 178 Hình 3.2. Quá trình tách sắc ký trên cột của hai chất A và B................ 181 Hình 3.3. Sơ đồ tổng hợp nhựa ionit...................................................... 183 Hình 3.4. Rửa giải La (III) từ cột nhựa trao đổi cation sử dụng gradient nồng độ H+ để tách cất cation lưu giữ mạnh hơn. La (III) được dò tìm bởi phản ứng với thuốc thử tạo màu sau khi rửa giải........................................................ 187 Hình 3.5. Bề mặt silica đã thủy phân..................................................... 205 Hình 3.6. Tạo nhánh trên bề mặt silica.................................................. 205 Hình 3.7. Cấu trúc của ODS.................................................................. 206 Hình 3.8. Cấu trúc của LD-BD.............................................................. 207 Hình 3.9. Cấu trúc cột có nhóm isopropyl............................................. 207 Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý làm việc HPLC......................................... 211 Hình 3.11. Phân riêng bằng phương pháp sử dụng màng...................... 219 Hình 3.12. Kích thước lỗ mao quản của một số loại màng.................... 221 Hình 3.13. Mô hình của quá trình thẩm thấu ngược.............................. 224 Hình 3.14. Mô hình lọc màng dạng ống................................................ 225 Hình 3.15. Thiết bị lọc bằng màng – Mô hình sợi................................. 226 Hình 3.16. Thiết bị phân riêng bằng màng – Mô hình bảng.................. 227 Hình 3.17. Thiết bị lọc màng – Mô hình cuộn xoắn............................. 228 Hình 3.18. Các loại cánh khuấy............................................................. 242 Hình 3.19. Hướng dòng chất lỏng khi khuấy trộn................................. 243 Hình 3.20. Quan hệ t = f(N)................................................................... 244 Hình 3.21. Bán kính hiệu quả của cánh khuấy chân vịt và tuabin trong chất lỏng nhớt........................................................................ 245 Hình 3.22. Cách đặt cánh khuấy............................................................ 248 Hình 3.23. Thùng khuấy....................................................................... 249 Hình 3.24. Cánh khuấy mỏ neo và thanh rối......................................... 249 Hình 3.25. Bố trí ống dẫn thông............................................................ 250 Hình 3.26. Ảnh hưởng của kết cấu khác nhau đến giá trị A/A0............. 251 Hình 3.27. Sự chuyển động của tấm phẳng trong chất lỏng.................. 252 Hình 3.28. Công suất N của các loại cánh khuấy, D=2m...................... 253 Hình 3.29. Độ nhớt của các dung dịch khác nhau................................. 253

14

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

Hình 3.30. Sơ đồ tinh chế gián đoạn...................................................... 256 Hình 3.31. Sơ đồ dây chuyền tinh chế cồn............................................ 258 Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống sấy đối lưu..................................................... 261 Hình 4.2a. Sơ đồ hệ thống sấy thùng quay............................................ 263 Hình 4.2b. Sơ đồ hệ thống sấy............................................................... 265 Hình 4.2c. Đồ thị h – d của quá trình sấy.............................................. 265 Hình 4.3. Sơ đồ hệ thống sấy phun có đáy phẳng.................................. 268 Hình 4.4. Máy sấy phun có đáy hình nón.............................................. 269 Hình 4.5. Hệ thống sấy phun tổ hợp...................................................... 270 Hình 4.6. Máy sấy tầng sôi Torbed........................................................ 271 Hình 4.7. Máy sấy spin - flash............................................................... 272 Hình 4.8. Sơ đồ thiết bị sấy thăng hoa tác động tuần hoàn.................... 274 Hình 4.9. Sơ đồ trạng thái của nước...................................................... 276 Hình 4.10. Quan hệ giữa nhiệt độ sôi của nước và áp suất.................... 276 Hình 4.11. Thùng sấy chân không cánh đảo.......................................... 278 Hình 4.12. Thiết bị sấy chân không băng tải......................................... 279 Hình 4.13. Thiết bị sấy chân không một lô cán..................................... 280 Hình 4.14. Sơ đồ hệ thống sấy phun chân không.................................. 281 Hình 4.15. Giản đồ p – t của nước......................................................... 286 Hình 4.16. Biểu diễn quá trình sấy thăng hoa........................................ 287 Hình 4.17. Đồ thị làm việc của buồng sấy thăng hoa sử dụng nguồn nhiệt bức xạ, nhiệt độ cấp đông (-35÷-30)0C....................... 287 Hình 4.18. Cấu tạo bình hóa tuyết......................................................... 299 Hình 4.19. Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông.......................... 301 Hình 4.20. Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy bằng dòng điện cao tần............... 310 Hình 4.21. Thiết bị lắng gián đoạn........................................................ 314 Hình 4.22. Thiết bị lắng bán liên tục..................................................... 314 Hình 4.23. Thiết bị lắng liên tục dạng hình phễu................................... 315 Hình 4.24. Thiết bị lắng liên tục dạng răng cao..................................... 316 Hình 4.25. Thiết bị lắng tính cân bằng vật chất..................................... 317 Hình 4.26. Thiết bị thanh trùng.............................................................. 323 Hình 4.27. Thiết bị thanh trùng bản mỏng Alfa-Laval.......................... 324 Hình 4.28. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy thanh trùng kiểu trống.......... 326

15

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

Hình 4.29. Thiết bị tiệt trùng Laguilharre.............................................. 327 Hình 4.30. Thiết bị thanh trùng Carvallo............................................... 328 Hình 4.31. Logarit của số lượng vi sinh vật còn sống sót trong quá trình thanh trùng................................................................... 330 Hình 4.32. Mối tương quan giữa số tế bào còn sống sau một khoảng thời gian thanh trùng ở tại nhiệt độ nhất định và sự lựa chọn giá trị D cho mỗi loại sản phẩm.................................. 331 Hình 4.33. Đồ thị sự phụ thuộc nhiệt độ sữa vào diện tích bề mặt đốt nóng............................................................................... 334 Hình 4.34. Sơ đồ tính toán độ cao nâng sữa.......................................... 335 Hình 4.35. Sơ đồ tính toán lực tác động................................................ 336 Hình 4.36. Thiết bị rót nước rau quả...................................................... 344 Hình 4.37. Thiết bị rót sản phẩm có bão hòa CO2................................. 345 Hình 4.38. Rót rượu mùi........................................................................ 346 Hình 4.39. Máy rót lon........................................................................... 348 Hình 4.40. Thiết bị chiết rót vào bao bì plastic...................................... 350 Hình 4.41. Ảnh hưởng của nồng độ oxy đối với sự sinh trưởng và phát triển của VSV............................................................... 352 Hình 4.42. Phản ứng hóa nâu rau quả.................................................... 353 Hình 4.43. Thiết bị hút chân không sử dụng ống hút khí...................... 354 Hình 4.44. Đóng gói khay chuyển động theo chiều ngang (HFFS)....... 354

16

CI AL

DANH MỤC BẢNG

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

Bảng 1.1. Độ ngọt của một số loại đường................................................40 Bảng 1.2. Các acid hữu cơ aliphatic thường gặp trong thực vật...............95 Bảng 1.3. Ester của một số acid hữu cơ quy định mùi của quả................96 Bảng 1.4. Độ nhớt của một số protein....................................................114 Bảng 1.5. Giá trị pHi của một số protein.................................................115 Bảng 2.1. Các thông số chất lỏng siêu tới hạn........................................167 Bảng 3.1. Cơ chất và ligand tương ứng trong sắc ký ái lực....................196 Bảng 3.2. Một số chất làm pha tĩnh........................................................200 Bảng 3.3. Kích thước màng lỗ................................................................220 Bảng 3.4. Kích thước lỗ theo vật liệu.....................................................222 Bảng 3.5. Các vật liệu được dùng làm màng lọc....................................223 Bảng 4.1. Mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ hóa hơi của nước........276

17

18

Y

DẠ

M

KÈ Y

QU ƠN

NH

OF

CI AL

FI

CI AL

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM LÊN MEN 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÊN MEN

OF

FI

Thuật ngữ fermentation (lên men) từ tiếng Latinh fervere có nghĩa là làm chín, dùng để diễn tả hoạt động của nấm men trong dịch chiết trái cây hay dịch đường hóa ngũ cốc. L.Pasteur đã gọi sự lên men là sự sống thiếu không khí. Tuy nhiên, thuật ngữ lên men đến nay đựợc hiểu là tất cả các quá trình biến đổi do vi sinh vật (VSV) thực hiện trong điều kiện yếm khí hay hiếu khí.

ƠN

Khái niệm lên men (fermentation) có thể được hiểu theo các nghĩa khác nhau:

NH

- Trong lĩnh vực vi sinh vật học, trước đây lên men được hiểu là quá trình sinh tổng hợp năng lượng (ATP) ở tế bào sinh vật từ các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy.

QU

Y

- Trong lĩnh vực công nghệ VSV: lên men được hiểu là quá trình chuyển hóa cơ chất của các tế bào VSV kèm theo sự phát triển sinh khối và tổng hợp các sản phẩm trao đổi chất. Từ đó có các khái niệm lên men hiếu khí nếu quá trình nuôi cấy VSV có cung cấp oxy, và ngược lại nếu không cung cấp oxy gọi là lên men kỵ khí.

DẠ

Y

KÈ

M

- Lên men cũng được hiểu là sự chuyển hóa carbohydrate và một vài hợp chất hữu cơ khác thành những hợp chất mới dưới tác dụng của enzyme do vi sinh vật tạo ra. Như vậy, tác nhân chính của quá trình lên men là các tế bào vi sinh vật, hoặc có thể là enzyme của chúng đã được tạo thành các dạng chế phẩm. Vi sinh vật sử dụng một số con đường trao đổi chất, để chuyển hoá glucose và các đường khác thành sản phẩm trung gian là acid pyruvic. Trong các chu trình chuyển hóa, chu trình Embden-MeyerhofParnas (EMP) và đặc biệt là chu trình Krebs có vai trò trọng tâm. Vì những chu trình này đáp ứng được các yêu cầu về nguồn năng lượng, nguồn carbon và nguồn các chất hữu cơ là những yếu tố rất cần thiết để duy trì các hoạt động sống của tế bào. Acid pyruvic chính là sản phẩm trung gian quan trọng nhất trong quá trình hô hấp hiếu khí cũng như yếm khí. Sau đó hai quá trình đi theo hai hướng khác nhau: 19

Trong điều kiện hiếu khí, acid pyruvic tiếp tục bị oxy hóa thành CO2 và H2O, ở đây O2 đóng vai trò chất nhận H2 cuối cùng.

CI AL

Trong điều kiện kỵ khí, acid pyruvic có thể là chất nhận H2 cuối cùng và chuyển thành những hợp chất hữu cơ, là sản phẩm của sự lên men rượu, các acid hữu cơ.

OF

FI

Kỹ thuật lên men được hiểu là hệ thống các giải pháp công nghệ được xây dựng nhằm mục đích điều khiển quá trình nuôi cấy VSV ở quy mô công nghiệp để sản xuất thực phẩm lên men với các chỉ tiêu chất lượng mong muốn và đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.

1.2. QUY TRÌNH SẢN XUẤT CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN TỔNG QUÁT

ƠN

1.2.1. Quy trình tổng quát sản xuất các sản phẩm lên men Nguyên liệu

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

Chuẩn bị giống

NH

Chuẩn bị môi trường Lên men

Thu sản phẩm Tinh sạch Hoàn thiện Đóng gói Sản phẩm

Hình 1.1. Quy trình tổng quát sản xuất các sản phẩm lên men

20

1.2.2. Thuyết minh quy trình sản xuất các sản phẩm lên men

FI

CI AL

* Nguyên liệu: Gồm các hợp chất có chứa nguồn carbon hữu cơ để đảm bảo nguồn năng lượng trong quá trình hoạt động của giống vi sinh vật dị dưỡng và làm bộ khung carbon trong các sản phẩm lên men. Ngoài ra, còn cần có nguồn nitrogen, các nguồn chất khoáng đa lượng hoặc vi lượng (P, K, Mg, Fe, Zn...) và các chất sinh trưởng (các vitamin, purine, pirimidine,...).

OF

* Môi trường: Thành phần môi trường lên men và môi trường nhân giống vi sinh vật có thể được chuẩn bị giống hoặc khác nhau (môi trường nhân giống có thể tích ít hơn môi trường lên men). Môi trường phải có đầy đủ các chất dinh dưỡng, chất khoáng nhằm thúc đẩy quá trình lên men theo định hướng và được vô trùng trước khi nuôi cấy vi sinh vật.

Y

NH

ƠN

* Chủng vi sinh vật sản xuất thường là các giống thuần chủng đã được chọn lọc kỹ, được bảo quản bằng phương pháp thích hợp. Từ môi trường bảo quản, giống được cấy chuyền sang môi trường dinh dưỡng, nuôi ở điều kiện thích hợp để giống phát triển trở lại bình thường, quá trình này gọi là quá trình hoạt hóa giống. Quá trình hoạt hóa giống được xem là kết thúc khi chủng vi sinh vật sinh trưởng, phát triển bình thường và vẫn duy trì được hoạt tính. Giống sau khi hoạt hóa phải được kiểm tra hoạt tính và cấy chuyền sang ống nghiệm môi trường lỏng để bắt đầu cho các bước nhân giống từ phòng thí nghiệm đến sản xuất.

Y

KÈ

M

QU

* Lên men: Quá trình lên men tùy thuộc tính chất của chủng sản xuất, sản phẩm cuối cùng, ta có thể thực hiện theo phương pháp nuôi cấy hiếu khí hoặc kỵ khí. Nếu trường hợp lên men hiếu khí thì phải có hệ thống cung cấp khí vô trùng, các thiết bị lên men phải chế tạo sao cho việc cấp oxygen, như khuấy trộn, phân tán bọt khí,... đáp ứng được nhu cầu của giống nuôi cấy. Các bình hoặc thùng lên men thực chất là các bình phản ứng sinh học (bioreactor), trong đó các phản ứng hóa sinh được thực hiện nhờ các phức hệ enzyme trong tế bào vi sinh vật. Nghiên cứu những điều kiện lên men tối ưu, trong đó có lưu ý đến các nguồn cơ chất rẻ tiền trong thành phần môi trường dinh dưỡng là quá trình tối ưu hóa phenotype.

DẠ

* Thu nhận và làm sạch sản phẩm: Việc thu nhận sản phẩm của quá trình lên men là phức tạp, mỗi loại hình có những đặc thù riêng và quá trình tách, làm sạch sản phẩm có những yêu cầu công nghệ riêng biệt, được 21

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

trang bị các thiết bị phù hợp với từng loại của sản phẩm. Đối với sản phẩm là các dung môi hữu cơ hòa tan trong nước như ethanol, buthanol thì cần phải có tháp chưng cất phân đoạn. Đối với sản phẩm là các chất hòa tan trong dịch nuôi cấy thì cần phải ly tâm tách lấy phần dịch, rồi cho kết tủa, làm sạch, có thể cho kết tinh trở lại. Hoặc sản phẩm nằm trong tế bào thì phải phá vỡ vỏ tế bào (nghiền, làm lạnh đông chậm, sóng siêu âm,...) rồi mới tiến hành tách và làm sạch tiếp theo. Thu nhận sản phẩm thường bắt đầu bằng cách tách tế bào vi sinh vật ra khỏi dịch nuôi cấy. Nếu sinh khối vi sinh vật có hệ sợi thường qua lọc, còn đối với vi khuẩn và nấm men thì ly tâm. Việc xử lý tiếp theo tuỳ thuộc sản phẩm lên men nằm ở dịch hay trong tế bào. Cũng có khi cả hai phần này đều được xử lý. Bản chất hoá học của sản phẩm quy định các biện pháp xử lý tiếp theo: chiết rút, hấp phụ, sàng phân tử hoặc kết tủa,... Việc hoàn thành sản phẩm tương đối phức tạp và thường phải làm qua nhiều bước với các thiết bị thích hợp. Sản phẩm được thu nhận với chất lượng và hiệu suất cao có ý nghĩa quyết định về mặt kinh tế của một phương pháp. Vì vậy, việc hoàn thành sản phẩm phải chú ý từ khi chọn giống, chọn môi trường dinh dưỡng. Việc tối ưu hoá một phương pháp còn liên quan đến việc làm sạch nước thải, sử dụng phế liệu và phế phẩm.

1.3. PHÂN LOẠI SẢN PHẨM LÊN MEN

QU

Y

Phân loại sản phẩm của công nghệ vi sinh vật theo sinh lý trao đổi chất là dựa vào sản phẩm chính của quá trình lên men. Theo kiểu này thì có 3 nhóm sản phẩm: 1.3.1. Sinh khối (biomass)

DẠ

Y

KÈ

M

Công nghệ lên men thu nhận sinh khối vi sinh vật là quá trình nuôi cấy các chủng thuần khiết hoặc hỗn hợp một số chủng vi sinh vật. Sinh khối là những tế bào vi sinh vật dùng làm nguồn protein trong dinh dưỡng động vật được gọi là protein đơn bào (SCP – single cell protein). Quá trình nuôi cấy chủ yếu là sinh sản, phát triển các tế bào của giống vi sinh vật, các chất dinh dưỡng được chuyển hoá thành vật chất tế bào. Việc tổng hợp sinh khối hay vật chất tế bào đồng nhất với sự sinh trưởng và phát triển (sinh sản) các tế bào của chủng nuôi cấy. Sinh sản là sự tăng số lượng của tế bào. Sinh trưởng là sự tăng về khối lượng tế bào, đòi hỏi sự tổng hợp tất cả các chất cấu trúc và thành phần của tế bào, như acid nucleic, protein, lipid, polysaccharide của thành tế bào. Sinh trưởng phục vụ cho sự duy trì

22

CI AL

và sinh sản của vi sinh vật. Theo chức năng này, trong quá trình tiến hóa của tế bào vi sinh vật đã hình thành cơ chế điều hoà trao đổi chất, sao cho phần lớn các chất dinh dưỡng tiêu hao phục vụ cho việc tổng hợp tế bào chất. Trong điều kiện nuôi cấy tối ưu với các nguồn carbohydrate thích hợp thì có khoảng 50% cơ chất được dùng cho sinh trưởng tăng sinh khối, 50% dùng để trao đổi năng lượng phục vụ cho quá trình hô hấp của vi sinh vật, sản phẩm cuối cùng của hô hấp là CO2 và nước.

ƠN

OF

FI

Sinh khối vi sinh vật được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau như sinh khối nấm men dùng trong sản xuất bánh mì, được gọi là men bánh mì; sinh khối vi khuẩn dùng làm phân bón; sinh khối vi khuẩn Bacillus thuringiensis sử dụng làm thuốc trừ sâu; hay sinh khối vi sinh vật có hệ enzyme phân hủy chất hữu cơ dùng trong xử lý nước thải, chất thải bảo vệ môi trường. Ưu điểm của quá trình sản xuất protein đơn bào từ vi sinh vật:

NH

- Không giống quá trình trồng trọt, chăn nuôi, sản phẩm protein từ vi sinh vật (sinh khối) có thể thu hoạch toàn bộ, dễ dàng, hiệu suất cao.

- Diện tích để nuôi cấy vi sinh vật không lớn.

- Tốc độ sinh sản của vi sinh vật cao, tương ứng với tốc độ sản sinh protein, có thể gấp 100 -1000 lần so với gia súc.

QU

Y

- Nuôi cấy vi sinh vật không phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết ở địa phương.

- Có thể phân lập và lựa chọn chủng giống thích hợp cho từng quy trình.

KÈ

M

- Sản xuất protein từ các vi sinh vật sử dụng nguyên liệu phi protein – phế liệu hoặc phụ phẩm từ công nghiệp khác. Nguyên liệu sử dụng đa dạng, phong phú và rẻ tiền: như rỉ đường, dịch thủy phân gỗ tạp, rơm rạ, bã mía,… góp phần khắc phục ô nhiễm môi trường.

DẠ

Y

Hiện nay, đa số protein sản xuất từ vi sinh vật mới được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản, chỉ một lượng nhỏ được sử dụng làm thức ăn cho người. Vì muốn làm thức ăn cho con người cần phải có một số nghiên cứu tiếp tục như: loại bỏ tạp chất, tinh chế để thu nhận chế phẩm protein tinh khiết, có thành phần phù hợp với dinh dưỡng của con người và tạo vị thơm, ngon hợp khẩu vị hơn.

23

1.3.1.1. Nấm men chăn nuôi, nấm men bánh mì

OF

FI

CI AL

Nấm men chăn nuôi là những tế bào nấm men sau khi sấy khô đã chết giàu protein và thường gọi là protein đơn bào. Men bánh mì là sinh khối của giống nấm men Saccharomyces cerevisiae còn sống được làm khô. Trong công nghệ sản xuất bánh mì, giai đoạn lên men bột mì đóng vai trò quyết định đến chất lượng bánh mì. Quá trình lên men được thực hiện bởi nấm men. Khi đó nấm men sẽ chuyển hoá đường có trong bột mì thành cồn và CO2. Chính CO2 sẽ là tác nhân làm nở bánh mì. Khi CO2 được tạo thành sẽ bị giữ lại trong các mạng gluten có trong bột mì. Khi nướng bánh ở nhiệt độ cao, CO2 sẽ tang thể tích, mạng gluten sẽ căng ra và tạo thành những túi chứa CO2. Khi nhiệt độ cao hơn, CO2 sẽ được thoát ra khỏi túi đó và tạo ra những lỗ xốp trong bánh. Khả năng lên men càng mạnh, độ xốp của bánh càng nhiều.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

Quy trình sản xuất nấm men bánh mì từ nguyên liệu rỉ đường:

24

Hình 1.2. Quy trình sản xuất nấm men bánh mì

Phân loại các dạng nấm men bánh mì:

OF

FI

CI AL

Quy trình sản xuất nấm men bánh mì được thực hiện theo các bước như sơ đồ trên. Nguyên liệu để sản xuất thường dùng là rỉ đường và một số muối khoáng. Sau khi xử lý rỉ đường qua các bước và thanh trùng, dịch lên men được đưa vào thùng lên men và cấy giống nấm men Saccharomyces cerevisiae đã nhân với tỷ lệ 1%. Sau đó thực hiện quá trình lên men có sục khí. Thời gian lên men 3 – 4 ngày, khi nấm men phát triển mạnh và lượng đường sót trong dịch lên men còn lại dưới 0,1 % thì ly tâm loại nước. Sinh khối nấm men được rửa và bổ sung phụ gia cần thiết được đi sấy khô hay đóng thành bánh men ép.

NH

ƠN

- Nấm men dạng lỏng: là dạng sản phẩm thu nhận ngay sau khi quá trình lên men kết thúc. Người ta thu nhận dịch lên men có chứa sinh khối nấm men đang phát triển này để sản xuất bánh mì. Đặc điểm của dạng này dễ sử dụng và hoạt lực làm nở bánh rất cao, tuy nhiên, nếu để nấm men trong dịch nuôi cấy lâu sẽ làm biến đổi chất lượng nấm men, trong đó hoạt tính enzyme zymase và maltase sẽ giảm rất mạnh do đó khó bảo quản, thời gian sử dụng ngắn.

QU

Y

- Nấm men dạng nhão (dạng paste): khối nấm men dạng lỏng thu được đem ly tâm ta thu được nấm men dạng nhão. Nấm men dạng nhão có độ ẩm khoảng 70-75%. Nấm men dạng nhão thường có hoạt lực nở bánh kém hơn dạng lỏng, nhưng thời gian sử dụng lâu hơn và dễ dàng vận chuyển hơn.

M

- Nấm men dạng khô: từ nấm men dạng nhão, người ta đem đi sấy ở nhiệt độ 400C, độ ẩm không quá 10%. Đặc điểm của nấm men dạng khô có hoạt lực nở bánh cao, bảo quản được lâu và dễ dàng vận chuyển.

KÈ

1.3.1.2. Các chế phẩm vi sinh vật cố định đạm

DẠ

Y

VSV trong chế phẩm thường là các vi khuẩn cố định nitrogen từ không khí (thường là vi khuẩn cố định đạm). Chúng sống cộng sinh ở cây đậu tạo nốt sần ở rễ thường gọi là vi khuẩn nốt rễ hoặc các loài sống tự do trong đất. Trong các chế phẩm hoặc phân bón, các vi khuẩn này còn sống và có hoạt tính cố định đạm. Các bước chính của quy trình sản xuất chế phẩm này gồm: 25

Phân lập tuyển chọn chủng

FI

CI AL

Muốn có chế phẩm đạm sinh học tốt phải có chủng vi sinh vật có cường độ cố định nitrogen cao, sức cạnh tranh lớn, thích ứng ở pH rộng, phát huy được ở nhiều vùng sinh thái khác nhau. Vì vậy, công tác phân lập tuyển chọn chủng vi sinh vật cố định đạm và đánh giá đặc tính sinh học của các chủng khuẩn là việc làm không thể thiếu được trong quy trình sản xuất chế phẩm đạm sinh học. Một số chủng VSV cố định đạm như Vi khuẩn Azotobacter, Rhizobium, một số loại xạ khuẩn, nấm…

OF

Nhân sinh khối

QU

Y

NH

ƠN

Từ chủng vi sinh vật tuyển chọn người ta tiến hành nhân sinh khối vi sinh vật theo phương pháp lên men chìm hoặc lên men bề mặt. Sinh khối vi sinh vật cố định nitrogen được nhân qua cấp 1, 2, 3 trong các điều kiện phù hợp với từng chủng loại vi sinh vật và mục đích sản xuất. Các sản phẩm phân vi sinh vật sản xuất từ vi khuẩn được tạo ra chủ yếu bằng phương pháp lên men chìm (Submerged culture). Trong sản xuất công nghiệp môi trường dinh dưỡng chuẩn không được sử dụng vì giá thành quá cao. Các nhà sản xuất đã phải tìm môi trường thay thế từ các nguồn vật liệu sẵn có đó là: Tinh bột ngô, sắn, rỉ mật, nước chiết ngô, thay cho nguồn dinh dưỡng carbon, nước chiết men, nước chiết đậu tương, ammoniac thay cho nguồn dinh dưỡng nitrogen. Trong quá trình sản xuất việc kiểm tra và điều chỉnh các yếu tố môi trường (pH, liều lượng, tốc độ khí, áp suất, nhiệt độ,...) là hết sức cần thiết. Các yếu tố này theo Walter (1996) nên được điều chỉnh tự động. Các hệ thống lên men hiện nay đã được trang bị hiện đại có công suất từ hàng chục đến hàng trăm ngàn lít.

M

Xử lý sinh khối, tạo sản phẩm

DẠ

Y

KÈ

Sinh khối vi sinh vật được phối trộn với chất mang vô trùng (hoặc không vô trùng) để tạo ra chế phẩm trên nền chất mang vô trùng (hoặc không vô trùng), hay được bổ sung các chất phụ gia, chất dinh dưỡng, bảo quản để tạo ra chế phẩm dạng lỏng hoặc cô đặc, làm khô để tạo ra chế phẩm dạng đông khô hoặc khô.

1.3.1.3. Các chế phẩm hoặc thuốc trừ sâu vi sinh

Thuốc trừ sâu vi sinh vật là những chế phẩm sinh học được sản xuất

26

FI

CI AL

ra từ các chủng vi sinh vật được nuôi cấy trên môi trường dinh dưỡng khác nhau theo phương pháp thủ công, bán thủ công hoặc phương pháp lên men công nghiệp để tạo ra những chế phẩm có chất lượng cao có khả năng phòng trừ được các loại sâu hại cây trồng nông, lâm nghiệp. Thường gặp nhất là chế phẩm Bt, là sinh khối của một vài loài thuộc giống Bacillus.

Chúng còn sống và có khả năng sinh tinh thể độc trong ống tiêu hoá của côn trùng làm côn trùng bị chết. Hoặc một số nấm mốc (Metarhizium anisopliae, Beauveria bassiana) và virus diệt côn trùng khác.

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

Ví dụ: Quy trình sản xuất chế phẩm Bt

KÈ

Hình 1.3. Quy trình sản xuất chế phẩm Bt

DẠ

Y

Các bước tiến hành quy trình sản xuất chế phẩm theo Hình 1.3. Đầu tiên là quá trình chuẩn bị môi trường. Nguồn carbon là tinh bột, maltose, glucose. Nếu là tinh bột thường dùng là gạo, ngô, sắn,… Tinh bột qua giai đoạn thủy phân tạo đường đơn và đường đôi sử dụng amylase hoặc H2SO­4 trong điều kiện nhiệt độ cao để thủy phân. Nguồn N thường sử dụng là bột cá, bột ngô, bột bánh lạc, bột bánh đậu, cao thịt bò, peptone, bột men,… Muối vô cơ thường bổ sung vào môi trường là các muối sau: 27

CI AL

K2HPO4, MgSO4, CaCO3. Môi trường sau khi trộn lẫn các thành phần trên được đem đi dịch hóa rồi đưa qua công đoạn khử trùng với các chế độ khử trùng sau: Khử trùng bằng phương pháp gián đoạn: tiến hành ở áp suất dư 0,05 – 0,1Mpa với nhiệt độ từ 110 – 1200C trong vòng 1 – 1,5 giờ; hoặc khử trùng liên tục: tiến hành ở nhiệt độ cao hơn 140 – 1450C và thời gian ngắn hơn 5 – 15 phút.

OF

FI

- Lên men: Tiến hành trong nồi lên men có dung tích 500l, 1000l, 2000l , ở nhiệt độ từ 27 – 320C điều chỉnh pH 7,5 trong khoảng thời gian từ 48 – 72 giờ. Trong quá trình lên men tiến hành thổi khí.

ƠN

- Chế độ thổi khí: Đây là chỉ tiêu cho quá trình hình thành bào tử và tinh thể độc. Ngưỡng thổi khí tốt nhất trong quá trình lên men là 0,5 – 0,6m3 môi trường/m3 không khí. Nếu chế độ thổi khí ở mức thấp thì bào tử phát triển yếu, mật độ thưa, nếu chế độ thổi khí ở mức cao bào tử phát triển nhanh thời gian lên men ngắn, tinh thể độc tố nhỏ, hiệu quả diệt sâu không cao, nên chế độ thổi khí như trên là hợp lý nhất.

Y

NH

- Thu nhận sản phẩm: Sau khi lên men được 48 – 72 giờ, tiến hành tách sản phẩm bằng cách lọc và ly tâm lạnh 4000 vòng/phút, thu kết tủa.

Sau đó bổ sung thêm một số chất định hình và bảo quản rồi đem đi sấy khô trong điều kiện thường hoặc chân không ở nhiệt độ 50 – 650C trong 1h, 70 – 800C trong vòng 20 phút, độ ẩm giảm xuống từ 3 – 5% thì đạt.

M

QU

- Hoàn thiện sản phẩm, sản phẩm sẽ được đóng gói, chế thành các dạng chế phẩm khác nhau. Hiệu quả phòng trừ bằng chế phẩm Bt không hoàn toàn quyết định bởi thành phần hoạt tính của chế phẩm mà dạng chế phẩm cũng là một nhân tố quan trọng.

- Các dạng chế phẩm Bt

Y

KÈ

+ Thuốc Bt dạng lỏng: Sau khi kết thúc quá trình lên men thu hồi sinh khối, phối trộn với các chất phụ gia, chất bám dính, chất chống thối để tạo ra chế phẩm Bt. Kiểm tra chất lượng, cuối cùng đóng chai để bảo quản.

DẠ

+ Thuốc Bt dạng sữa: Thu sinh khối, sử dụng phương pháp ly tâm thu nhận bào tử và tinh thể độc, sau đó tiến hành nhũ tương hóa. Chế phẩm thu được ở dạng nhão nhớt.

28

CI AL

+ Thuốc Bt dạng bột: phổ biến và tiện lợi, dễ sử dụng, dễ bảo quản.

Thu nhận bào tử và tinh thể độc bằng ly tâm, sau đó được làm khô bằng phương pháp đông lạnh hoặc sấy khô trong máy sấy phun. Để tăng độ bám dính của thuốc trộn với các chất phụ gia như bột mỳ, dextrin,…cuối cùng kiểm tra chất lượng, đóng gói và bảo quản để sử dụng.

1.3.1.4.Vaccine

ƠN

OF

FI

Vaccine là chế phẩm có tính kháng nguyên dùng để tạo miễn dịch đặc hiệu chủ động, nhằm tăng sức đề kháng của cơ thể đối với một (số) tác nhân gây bệnh cụ thể. Các vaccine cũng là dạng sinh khối vi sinh vật gồm có vaccine tế bào chết và vaccine tế bào vi sinh vật nhược độc (yếu về hoạt động sống và sinh độc tính yếu) dùng tiêm hoặc uống. Các sản phẩm lên men không có chức năng nào đối với tế bào. Vì vậy, trong quá trình nuôi cấy cần chọn các điều kiện sao cho càng nhiều cơ chất được chuyển thành tế bào càng tốt.

NH

Ví dụ: Sản xuất vaccine theo phương pháp truyền thống (vaccine thế hệ thứ nhất) gồm các công đoạn chính sau:

QU

Y

- Tạo sinh khối: Đây là giai đoạn đầu tiên để sản xuất vaccine. Vi sinh vật được nuôi cấy trong môi trường thích hợp để đạt được một số lượng lớn sinh khối hoặc sản phẩm của chúng (toxoid, antigen). Các chủng vi sinh vật trước khi nuôi cấy cần phải được kiểm tra về độ tinh khiết, không được lẫn vi sinh vật lạ. Quá trình nuôi cấy được thực hiện trong các nồi nuôi cấy đặc biệt, có các thiết bị kiểm soát đến quá trình tăng trưởng của vi sinh vật.

DẠ

Y

KÈ

M

- Làm bất hoạt: Yêu cầu khi sản xuất vaccine là phải an toàn cho người sử dụng. Do đó các vi khuẩn sử dụng để chế vaccine phải không còn khả năng gây bệnh nhưng vẫn giữ được tính kháng nguyên, nghĩa là có khả năng kích thích hệ thống miễn dịch của cơ thể. Đối với vaccine vi khuẩn chết: có thể dùng các tác nhân diệt khuẩn như các hóa chất (formalin, alcool, aceton), tia cực tím, siêu âm,… Đối với vaccine từ vi khuẩn sống giảm độc: có thể dùng phương pháp cấy chuyền vi khuẩn nhiều lần trong môi trường nuôi cấy. Ví dụ vaccine BCG (Bacille Calmette Guerin) là vaccine được chế tạo từ vi khuẩn lao bò được cấy chuyền trong thời gian dài trên môi trường nuôi cấy.

29

CI AL

- Sản xuất ra chế phẩm: Sau khi làm bất hoạt, tiếp tục tinh khiết hóa và đông khô để tạo sản phẩm, cuối cùng đóng gói. Tuỳ theo từng loại chế phẩm có thể đóng gói dưới dạng thuốc lỏng để uống, dạng thuốc viên, dạng thuốc tiêm.

FI

- Kiểm tra sản phẩm: Kiểm tra các chỉ tiêu như độ vô trùng (chế phẩm vaccine không được lẫn các vi sinh vật lạ), đảm bảo đủ nồng độ, kiểm tra khả năng gây miễn dịch…

1.3.2. Các sản phẩm trao đổi chất

OF

Sản phẩm của trao đổi chất là điển hình của công nghệ lên men. Quá trình lên men được tóm tắt như sau: Sản phẩm gồm 4 loại chính:

ƠN

Cơ chất → Sản phẩm + Tế bào

1.3.2.1 Sản phẩm cuối cùng của sự trao đổi chất và năng lượng

M

QU

Y

NH

Lên men là quá trình kị khí của sự thu nhận năng lượng, trong đó hydrogen tách ra được chuyển đến các chất nhận hữu cơ. Các hợp chất hữu cơ nhận hydrogen là những hợp chất được hình thành trong quá trình trao đổi chất dị hóa. Sau khi nhận hydrogen, các hợp chất này thải ra ngoài tế bào giống như các sản phẩm cuối cùng của sự hô hấp. Do vậy, mà trong sản xuất cần chọn các điều kiện nuôi sao cho càng nhiều cơ chất được chuyển thành các sản phẩm lên men càng tốt. Các sản phẩm dạng này bao gồm các sản phẩm lên men cổ điển như: ethanol, methanol, propanol, acid laclic, acetol-butanol, methane,… a. Acid và aceton hữu cơ

KÈ

Tính chất hóa học

DẠ

Y

Nguyên tử hydro (H) trong nhóm carboxyl (−COOH) trong các acid cacboxylic như acid acetic có thể cung cấp một ion H+ (proton), làm cho chúng có tính chất acid. Acid acetic là một acid yếu, thuộc nhóm acid monoprotic, có Ka bằng 4,75. Nó tạo ra gốc liên kết là acetate (CH3COO−).

Dung dịch 1,0 M (tương đương nồng độ giấm gia đình) có pH là 2,4, cho thấy chỉ 0,44% các phân tử acid acetic bị phân ly.

30

CI AL FI

OF

Hình 1.4. Liên kết giữa hai phân tử acid acetic

NH

ƠN

Cấu trúc tinh thể của acid acetic cho thấy các phân tử nhị trùng liên kết bởi các liên kết hydro. Các chất nhị trùng cũng có thể được phát hiện ở dạng hơi ở 1200C. Chúng cũng có mặt ở phần lỏng của các dung dịch loãng trong các dung môi không có liên kết hydro, và một mức độ nhất định trong acid acetic tinh khiết, nhưng bị phá vỡ trong các dung môi có liên kết hydro. Enthalpy phân ly của các chất này ước tính khoảng 65,0–66,0 kJ/ mol, và entropy phân ly khoảng 154–157 J mol−1 K−1. Cách thức nhị trùng này cũng có thể hiện ở các acid cacboxylic khác.

KÈ

M

QU

Y

Acid acetic lỏng là dung môi protic dính ướt (phân tử phân cực), tương tự như ethanol và nước. Với hằng số điện môi trung bình khoảng 6.2, nó có thể hoà tan không chỉ trong các hợp chất phân cực như các muối vô cơ và các loại đường mà nó còn có khả năng hòa tan trong các hợp chất không phân cực như dầu, và các nguyên tố như lưu huỳnh và io t. Nó cũng có thể hòa trộn với các dung môi phân cực và không phân cực khác như nước, chloroform, và hexan. Đối với các ankan cao phân tử (từ octan trở lên) acid acetic không có khả năng trộn lẫn một cách hoàn toàn, và khả năng trộn lẫn tiếp tục giảm khi số n-ankan càng lớn. Tính chất hòa tan và độ trộn lẫn của acid acetic làm cho nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Các phản ứng hóa học

DẠ

Y

Acid acetic có thể ăn mòn các kim loại như sắt, mangan và kẽm sinh ra khí hydro và các muối kim loại tương ứng gọi là các acetate. Nhôm khi tiếp xúc với oxy sẽ tạo thành một màng mỏng nhôm oxit trên bề mặt làm cho nó có khả năng chống lại một cách tương đối sự ăn mòn của acid, điều 31

CI AL

này cho phép các bình chứa bằng nhôm có thể dùng để vận chuyển acid acetic. Các acetate kim loại cũng có thể được điều chế từ acid acetic và một bazơ tương ứng, như phản ứng phổ biến là “natri bicacbonat + giấm”.

Chỉ trừ crôm(II) acetate, thì hầu hết các acetate còn lại đều có thể hòa tan trong nước.

Mg(r) + 2CH3COOH(l) → (CH3COO)2Mg(dd) + H2(k)

ƠN

OF

FI

NaHCO3(r) + CH3COOH(dd) → CH3COONa(dd) + CO2(k) + H2O(l)

KÈ

M

QU

Y

NH

Acid acetic có thể tạo phản ứng hóa học đặc trưng của nhóm acid cacboxylic như tạo ra nước và ethanoat kim loại khi phản ứng với kiềm; tạo ra ethanoat kim loại khi phản ứng với kim loại; và tạo ra ethanoat kim loại, nước và cacbon dioxit khi phản ứng với các cacbonat và bicacbonat.

Phản ứng đặc trưng nhất là tạo thành ethanol, và tạo thành các dẫn xuất như acetyl clorua bằng cách thay thế nhóm -OH bởi -Cl. Các dẫn xuất thay thế khác như anhydrid acetic; anhydrid này được tạo ra theo phản ứng trùng ngưng rách phân tử nước từ hai phân tử của acid acetic. Các este của acid acetic tương tự có thể được tạo ra bởi este hóa, và các amid. Khi nung trên 4400C, acid acetic phân hủy tạo ra cacbon dioxit và metan, hoặc tạo ra ethenon và nước. Acid acetic có thể được nhận biết bởi mùi đặc trưng của nó. Phản ứng biến đổi màu đối với các muối của acid acetic là cho tác dụng với dung dịch sắt (III) clorua, phản ứng này tạo ra màu đỏ đậm sau khi acid hóa. Khi nung nóng các acetate với arsen trioxit tạo ra cacodyl oxit, chất này có thể được nhận biết bởi các hơi có mùi hôi. b. Rượu ethanol

Y

* Tính chất vật lý

DẠ

Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 150C), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ 78,390C), hóa rắn ở -114,150C, tan trong

32

CI AL

nước vô hạn, tan trong ete và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời. Sở dĩ rượu etylic tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước. Ethanol có tính khúc xạ hơi cao hơn so với của nước, với hệ số khúc xạ là 1,36242 (ở λ=589,3 nm và 18,350C).

FI

Điểm ba trạng thái của ethanol là 150K ở áp suất 4,3 × 10−4 Pa. * Tính chất dung môi

ƠN

OF

Ethanol là một dung môi linh hoạt, có thể pha trộn với nước và các dung môi hữu cơ khác như acid acetic, aceton, benzene, carbon tetrachlorua, chloroform, dietyl ete, etylen glycol, glycerol, nitrometan, pyridine và toluene. Nó cũng có thể trộn với các hydrocarbon béo nhẹ như pentan, hexan và với các clorua béo như trichloroetan, tetrachloroetylen.

QU

Y

NH

Tính hòa tan của ethanol với nước trái ngược với tính không thể trộn lẫn của các chất cồn có chuỗi dài hơn (có từ 5 nguyên tử cacbon trở lên), tính chất không thể trộn lẫn này giảm mạnh khi số nguyên tử cacbon tăng. Sự trộn lẫn của ethanol với các ankan chỉ xảy ra ở những ankan đến undecan, hòa trộn với dodecan và các ankan cao hơn thể hiện một khoảng cách trộn lẫn ở một nhiệt độ nhất định (khoảng 130C đối với dodecan). Khoảng cách trộn lẫn có khuynh hướng rộng hơn với các ankan cao hơn và nhiệt độ cao hơn để tăng tính hòa trộn toàn bộ.

DẠ

Y

KÈ

M

Hỗn hợp ethanol - nước có thể tích nhỏ hơn tổng thể tích thành phần với một tỷ lệ nhất định. Khi trộn lẫn cùng một lượng ethanol và nước chỉ tạo thành 1,92 thể tích hỗn hợp. Hỗn hợp ethanol và nước có tính tỏa nhiệt với lượng nhiệt lên đến 777 J/mol ở nhiệt độ 298 K (250C). Hỗn hợp ethanol và nước tạo thành một azeotrope với tỷ lệ mol 89% ethanol và 11% mol nước hay một hỗn hợp 96% thể tích ethanol và 4% nước ở áp suất bình thường và nhiệt độ 351 K. Thành phần azeotropic phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ, áp suất và biến mất ở nhiệt độ dưới 303 K. Các liên kết hydro làm cho ethanol nguyên chất có tính hút ẩm, chúng sẵn sàng hút hơi nước trong không khí. Sự phân cực tự nhiên của nhóm chức hydroxyl làm cho ethanol có thể hòa tan một số hợp chất ion như natri hydroxit và kali hydroxit, magiê clorua, canxi clorua, ammoni clorua, ammoni bromua 33

CI AL

và natri bromua. Natri clorua và kali clorua ít tan trong ethanol do phân tử ethanol có một đầu không phân cực, nó cũng sẽ hòa tan các hợp chất không phân cực, gồm hầu hết tinh dầu và nhiều chất hương liệu, màu và thuốc. * Tính chất hóa học

Tính chất hóa học của ethanol được quyết định bởi cấu trúc phân tử.

FI

Tính chất của một rượu đơn chức

Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ. Ví dụ: 2C2H5OH + 2Na => 2C2H5ONa + H2

OF

Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và acid với môi trường là acid sulfuric đặc nóng tạo ra este. Ví dụ: C2H5OH + CH3COOH => CH3COOC2H5 + H2O

ƠN

Phản ứng loại nước như tách nước trong một phân tử để tạo thành olefin, trong môi trườngacid sulfuric đặc ở 1700C: C2H5OH => C2H4 + H2O

NH

Hay tách nước giữa 2 phân tử rượu thành ether

C2H5OH + C2H5OH => C2H5-O-C2H5 + H2O

QU

Y

Phản ứng oxy hóa, trong đó rượu bị oxy hóa theo 3 mức: thành aldehyde, acid hữu cơ và oxy hóa hoàn toàn (đốt cháy) thành CO2 và H2O. Ví dụ ở mức 1, trong môi trường nhiệt độ cao:

CH3-CH2-OH + CuO => CH3-CHO + Cu + H2O

KÈ

M

Mức 2, có xúc tác:

CH3-CH2-OH + O2 => CH3-COOH + H2O

Mức 3:

C2H5OH + 3O2 => 2CO2 + 3 H2O

Y

Phản ứng riêng

DẠ

Phản ứng tạo ra butadien-1,3: cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp, ví dụ Cu + Al2O3 ở 380 - 4000C, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước

34

2C2H5OH => CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2

CI AL

Phản ứng lên men giấm: oxi hóa rượu etylic 100 bằng oxy không khí có mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 250C. CH3-CH2-OH + O2 => CH3-COOH + H2O

c. Ví dụ quy trình lên men sản xuất ethanol

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

Quy trình lên men sản xuất ethanol từ sắn như sau:

Hình 1.5. Quy trình sản xuất ethanol từ sắn 35

Quy trình lên men thu nhận ethanol gồm các công đoạn chính như:

FI

CI AL

Nguyên liệu sắn khô: Nguyên liệu sắn lát trước khi đem đi sản xuất phải được làm sạch và nghiền nhỏ nhằm loại bỏ các tạp chất và phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật của nguyên liệu, giải phóng các hạt tinh bột khỏi các mô, giúp cho nước thẩm thấu vào tinh bột tốt hơn để quá trình hồ hóa diễn ra nhanh hơn. Tuy nhiên, việc lựa chọn công nghệ nghiền phải được tính toán cân nhắc kỹ và thiết kế phù hợp với thực tế nguyên liệu để tránh hư hỏng thiết bị làm gián đoạn sản xuất.

OF

Hiện nay, với công nghệ sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột thường sử dụng 2 công nghệ nghiền chính là nghiền ướt và nghiền khô.

ƠN

Hồ hóa–đường hóa (đối với nguyên liệu sắn khô): Hầu hết các nhà cung cấp công nghệ sản xuất ethanol hiện nay đều lựa chọn công nghệ hồ hóa - đường hóa bằng chế phẩm enzyme amylase.

NH

Quá trình hồ hóa tiếp tục phá vỡ tế bào tinh bột, biến tinh bột ở trạng thái không hòa tan trong nước thành trạng thái hoà tan, giúp cho quá trình đường hóa thuận lợi hơn.

QU

Y

Quá trình đường hóa sử dụng enzyme amylase chuyển hóa tinh bột hòa tan thành đường có thể lên men được. Trên cơ sở phát triển của công nghệ enzyme chủ yếu do các nhà sản xuất enzyme hàng đầu thế giới như Novo Enzyme (Đan Mạch), Genencor (Mỹ),...

Lên men: Quá trình lên men là quá trình chuyển đường đơn thành ethanol, khí CO2 và các sản phẩm trung gian khác.

DẠ

Y

KÈ

M

Sau khi lên men, hỗn hợp giữa ethanol và sản phẩm khác gọi là dấm chín có nồng độ ethanol thông thường khoảng 8-10% (v/v). Quá trình lên men là quá trình sinh nhiệt, một lượng lớn nhiệt được tạo ra gây ức chế quá trình lên men, do vậy dịch lên men cần được duy trì nhiệt độ ổn định bằng cách làm nguội dịch cưỡng bức ở thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài bồn.

Thời gian lên men đối với dịch đường hóa từ 48-72 giờ, đối với nước mía từ 10-48 giờ tùy công nghệ lên men, pH của khối dịch lên men từ 4,2-4,5; nhiệt độ lên men tối ưu là 3200C. Dấm chín thu được sau quá trình lên men được chuyển đến công đoạn chưng cất để tách ethanol ra khỏi dấm chín.

Chưng cất và khử/tách nước: Đối với nhà máy sản xuất ethanol nhiên

36

CI AL

liệu, công đoạn chưng cất và tách nước được thiết kế liên hoàn thành một dây chuyền đồng bộ nhằm giảm chi phí đầu tư và tiết kiệm năng lượng.

FI

Chưng cất: Công đoạn này nằm tách ethanol ra khỏi dấm chín, loại bỏ các tạp chất và nâng nồng độ ethanol lên > 95% (v/v). Dịch sau lên men có nồng độ ethanol thấp cần được chưng cất nhằm loại bỏ tối đa lượng nước và các tạp chất khác để thu được ethanol có nồng độ và chất lượng phù hợp với yêu cầu. Hai quy trình công nghệ chưng cất được dùng phổ biến hiện nay là chưng cất áp suất dư và chưng cất áp suất chân không.

OF

Công đoạn tách nước: Do hiện tượng “điểm đẳng phí” của hỗn hợp ethanol-nước, nên sau công đoạn chưng cất thông thường, ethanol thu được chỉ đạt nồng độ tối đa 96,5% (v/v). Để sử dụng làm nhiên liệu, ethanol thô được đưa qua công đoạn tách nước để đạt nồng độ đến 99,7% (v/v).

NH

ƠN

Ba phương pháp để tách nước trong sản xuất ethanol nhiên liệu là: công nghệ chưng cất sử dụng hỗn hợp 3 cấu tử (như benzen) để phá “điểm đẳng phí”, công nghệ hấp phụ nước bằng rây phân tử, công nghệ tách nước bằng hệ thống lọc màng. Trong ba phương pháp trên, phương án công nghệ hấp phụ nước bằng rây phân tử được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp dùng hỗn hợp 3 cấu tử và chi phí vận hành thấp hơn so với phương án lọc màng.

QU

Y

Tồn trữ và làm biến tính

KÈ

M

Ethanol nhiên liệu thu được từ quá trình sản xuất có tính chất dễ bốc cháy nên quá trình tồn trữ phải tuân theo những quy định nghiêm ngặt. Mặt khác, do mục đích sản xuất ethanol để làm nhiên liệu nên ethanol còn lẫn nhiều tạp chất không sử dụng cho các mục đích khác được. Do vậy, trước khi xuất xưởng ethanol nhiên liệu cần phải được làm biến tính bằng cách pha chất biến tính vào để phân biệt và tránh dùng sai mục đích.

DẠ

Y

Ethanol nhiên liệu cần phải được chứa trong những thiết bị được làm bằng thép carbon, hoặc thép không gỉ, bồn chứa phải được trang bị hệ thống đảo bồn và thu hồi hơi bốc để tránh hiện tượng giảm nồng độ ethanol.

1.3.2.2. Các chất trao đổi bậc 1

Các chất trao đổi bậc một là những viên gạch cấu trúc có trọng 37

OF

FI

CI AL

lượng phân tử thấp của các cao phân tử sinh học tế bào chất: amino acid, nucleotide, nucleoside, đường, acid béo, vitamin,… Ngoài ra, các sản phẩm trung gian của quá trình trao đổi chất (các acid hữu cơ trong chu trình Krebs) cũng là các chất trao đổi bậc 1. Các cơ chế điều hòa phát triển trong quá trình tiến hóa bảo đảm sao cho các chất trao đổi bậc 1 chỉ được tổng hợp đến mức độ cần thiết. Trong quá trình nuôi cấy các chủng vi sinh vật hay các quá trình lên men ở quy mô công nghiệp, người ta cần điều khiển các điều kiện sao cho các chủng vi sinh vật có khả năng tổng hợp thừa hoặc “siêu tổng hợp” các sản phẩm đối với yêu cầu sinh trưởng của chúng. Sinh tổng hợp thừa các chất trao đổi bậc 1 là do rối loạn trao đổi chất của tế bào vi sinh vật hoặc có sự thay đổi trong quá trình điều hòa các quá trình này.

ƠN

Các sản phẩm trao đổi chất bậc 1 là các carbohydrate, amino acid, vitamin, citric acid, lipid, nucleotide...

NH

a. Carbohydrate

* Đường: Tên gọi chung của những cacbonhydrate có vị ngọt nói riêng và những chất hóa học thuộc nhóm này nói chung.

Y

- Monosaccharide hay đường đơn, bao gồm những chất ví dụ như:

QU

+ Glucose: hay còn gọi đường nho + Fructose: còn gọi đường trái cây hay đường hoa quả - Disaccharide hay đường đôi, bao gồm những chất ví dụ như:

M

+ Saccharose: hay còn gọi đường, đường kính, đường cát, đường phèn, đường ăn v.v...

KÈ

+ Maltose: hay còn gọi đường mạch nha. + Lactose: hay còn gọi đường sữa.

Y

- Trisaccharide: phổ biến trong thiên nhiên là raffinose.

DẠ

- Polysaccharide hay đường đa: Một số polysaccharide thường gặp như tinh bột, glycogen, cellulose,...

- Đường hóa học: là những chất ngọt tổng hợp.

38

* Các loại đường tự nhiên

CI AL

 Glucose

FI

Nguồn gốc: là loại monosaccharide phổ biến ở động vật và thực vật.

Nó có nhiều trong nho chín nên còn được gọi là đường nho. Ở người và động vật, glucose là thành phần cố định trong máu, dễ dàng được cơ thể con người hấp thụ.

Y

NH

ƠN

OF

Cấu tạo: Glucose có ba dạng công thức cấu tạo gồm một dạng mạch hở và hai dạng mạch vòng. Khi hòa tan trong nước tạo dung dịch, glucose có sự cân bằng, chuyển hóa qua lại và tồn tại cả ba dạng cấu tạo này, trong đó dạng vòng hiện diện nhiều hơn. Dung dịch glucose làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực sang phải nên cũng có tên là dextrose. Hai dạng α và β-D-glucose có độ quay cực khác hẳn nhau.

Dạng α-D-glucose có độ quay cực bằng +1150 còn β-D-glucose có độ quay cực bằng +190. Khi đem hòa tan một trong các dạng trên vào nước sẽ có biến đổi quay cực và dần dần đạt tới giá trị không đổi là +52,50.

Trong dung dịch, glucose tồn tại chủ yếu ở dạng pyranose, là thành phần cấu tạo của rất nhiều loại polysaccharide như tinh bột, glycogen, cellulose, …

QU

CHO H C OH HO C H H C OH

M

H C OH

KÈ

CH2OH

CH2OH O H H H OH H OH HO OH H D- Glucose

CH2OH O H H OH OH H H HO H OH D- Glucose

D - glucose

Hình 1.6. Cấu tạo phân tử Glucose

DẠ

Y

Tính chất: Glucose là một chất rắn, kết tinh, không màu, có nhiệt độ nóng chảy ở 1460C, hòa tan nhiều trong nước, có vị ngọt, nhưng không ngọt bằng đường mía. Glucose có độ ngọt bằng 0,6 lần so với đường mía.

39

CI AL

Bảng 1.1. Độ ngọt của một số loại đường

ƠN

OF

FI

Khả năng lên men: Glucose dễ bị lên men bởi nấm men. Khi khử glucose sẽ thu được rượu tương ứng gọi là sorbitol. Trong một số trường hợp ở các chế phẩm mứt kẹo nếu đường tồn tại ở trạng thái vô định hình thì sự có mặt của các chất hút ẩm không có lợi vì khi đó sự hấp thụ nước sẽ làm tăng nhanh quá trình kết tinh đường và làm cho chế phẩm trở nên dính hơn. Vì vậy ta thêm siro glucose để khắc phục tình trạng trên, có thể giảm đi đường nghịch đảo.  Fructose

NH

Nguồn gốc: Đây là loại monosaccharide phổ biến ở thực vật, có nhiều trong quả và mật hoa. Các loại quả là nguồn fructose chính. Nguồn fructose tự nhiên quan trọng là mật ong, trong đó lượng fructose lên tới 37,1%. Hàm lượng fructose trong một số loại quả như sau: chuối 8,6%, táo 6,5 – 11,8%, mận 0,9 – 2,7%, mơ 0,1 - 3%, nho 7,2%.

C O

KÈ

HO C H

M

CH2OH

QU

Y

Cấu tạo: Fructose làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực sang trái nên còn có tên là levulose, là thành phần của disaccharide và polyfructoside thường gặp trong thực vật. Fructose thường tồn tại dưới dạng furanose.

H C OH

H C OH

Y

CH2OH

DẠ

D - Fructose

40

CH2OH CH2OH O H OH H OH OH H

CH2OH OH O H OH H CH2OH OH H

D- Fructose

D- Fructose

Hình 1.7. Cấu tạo phân tử Fructose

ƠN

OF

FI

CI AL

Tính chất: Fructose là chất rắn kết tinh, dễ hòa tan trong nước, có vị ngọt gấp 1,5 đường mía (saccharose), gấp 2,5 lần glucose (đường nho).

Khi kết tinh trong dung dịch nước fructose có hình kim, tinh thể của nó ngậm một phân tử nước (2C6H12O6.H2O). Fructose là loại glucid có vị rất ngọt. Trong mật ong có chứa khoảng 40% fructose, do đó mật ong có vị ngọt gắt. Fructose nóng chảy ở khoảng nhiệt độ 1020C – 1040C, dễ bị lên men bởi nấm men. Đường fructose thường được thêm vào các thực phẩm đóng vào chai hộp trong kỹ nghệ. Fructose thường có trong chất gây ngọt gọi là HFCS (High fructose corn syrup) có nghĩa là siro đường bắp có lượng fructose cao, thường chứa 55% fructose và 45% glucose. Đây là chất tạo ra vị ngọt được các nhà kỹ nghệ thực phẩm ưa chuộng vì giá rẻ và có thể dễ dàng trộn vào các thức uống như nước ngọt đóng trong chai hay lon.  Galactose

Nguồn gốc: Galactose có trong sữa, pho mát, trái cây,…

Y

NH

Cấu tạo: Đây là loại đường thường tồn tại dưới dạng pyranose.

Galactose có trong thành phần của lactose và các polysaccharide galactan của thực vật, ngoài ra nó còn nằm trong thành phần cấu tạo của melibiose và agar – agar. Tham gia vào đường sữa và cấu tạo thực vật.

QU

Tính chất: Dẫn xuất của D-galactose là acid galacturonic nằm trong thành phần của pectin, chỉ lên men bởi các loại nấm men đặc biệt  Saccharose

KÈ

M

Nguồn gốc: Saccharose là loại đường rất phổ biến trong thiên nhiên.

Nó có nhiều trong củ cải đường và mía. Ngoài ra nó còn có trong lá, thân, rễ, quả của nhiều loại thực vật. Trong công nghệ sản xuất đường, người ta dùng nguyên liệu là củ cải đường hoặc mía. Saccharose là loại đường dễ hòa tan và có ý nghĩa về dinh dưỡng. Chính vì thế đây là loại đường được sử dụng phổ biến hằng ngày.

DẠ

Y

Cấu tạo: Saccharose được kết hợp bởi α- D- Glucose và b- DFructose qua liên kết –OH glycosid. Do đó nó không còn nhóm -OH glycosid tự do nên không còn tính khử. Khi thủy phân sacharose sẽ tạo ra glucose và fructose. Trong phân tử saccharose, glucose ở dạng pyranose và 41

OF

FI

CI AL

fructose ở dạng furanose, hai chất này liên kết với nhau qua nhóm -OH ở vị trí C1 của glucose và nhóm –OH ở vị trí C2 của fructose. Do đó saccharose còn được gọi là α- D- Glucopyranoside (1�2) b- D- Fructofuranoside.

Hình 1.8. Cấu tạo phân tử Saccharose

NH

ƠN

Tính chất: Saccharose hiện diện dạng rắn ở điều kiện thường, không màu, không mùi, có vị ngọt. Saccharose nóng chảy ở 184-1850C, ít tan trong ruợu, tan nhiều trong nước. Saccharose có độ quay cực bằng + 66,50, không có tính khử, dễ kết tinh, dễ hòa tan trong nước, dễ bị thủy phân bởi enzyme saccharase hoặc acid vô cơ (HCl 3%) nên dễ bị nấm men sử dụng.

M

QU

Y

Sự thủy phân saccharose: Saccharose là loại đường dễ bị thủy phân thành glucose và fructose. Quá trình này được thực hiện nhờ enzyme saccharase (enzyme invertase) hoặc acid vô cơ (HCl 3%). Invertase là một loại enzyme thủy phân saccharose được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp nước giải khát và bánh ngọt. Invertase có trong động thực vật, vi sinh vật và đặc biệt là nấm men có khả năng tổng hợp invertase cao. Phản ứng thủy phân saccharose do invertase xúc tác như sau:

DẠ

Y

KÈ

Ở thực phẩm có độ pH thấp, quá trình này cũng xảy ra làm thay đổi tính chất của thực phẩm. Do đó kiểm tra hàm lượng đường nghịch đảo cũng là chỉ tiêu cần thiết đối với một số sản phẩm thực phẩm. Sản phẩm hình thành khi thủy phân saccharose là hỗn hợp đường nghịch đảo. Sự nghịch đảo này làm tăng chất khô, đồng thời cũng tăng vị ngọt và tính hòa tan của đường trong dung dịch. Sự tăng tính hòa tan gây ra nhờ quá trình nghịch đảo là do tính hòa tan cao của đường fructose cũng như tính khó kết tinh của đường glucose so với saccharose. Tính chất này được sử dụng

42

CI AL

trong sản xuất mứt, kẹo để tạo nên các sản phẩm trong đó saccharose dù ở nồng độ cao cũng vẫn không kết tinh.

OF

FI

Tính hút ẩm của đường: Tính chất này ảnh hưởng tới kết cấu của một số thực phẩm. Đường glucose, maltose, các siro glucose là những chất có tính khử cao thường có tính hút ẩm kém hơn so với saccharose nhất là so với đường nghịch đảo và fructose. Khi cần duy trì một độ ẩm nhất định trong thực phẩm thì sự có mặt của chất hút ẩm là cần thiết. Trong các sản phẩm như bánh, mứt, kẹo người ta thường sử dụng một lượng đường nghịch đảo nhất định để duy trì cấu trúc mềm láng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp ở các chế phẩm như mứt, kẹo,... đường tồn tại ở trạng thái vô định hình thì sự có mặt của các chất hút ẩm lại không có lợi bởi vì sự hấp thụ nước sẽ làm tăng nhanh quá trình kết tinh đường và làm cho sản phẩm trở nên dính.

NH

ƠN

Tác dụng với chất kiềm hoặc kiềm thổ: Khi tác dụng với các chất kiềm hoặc kiềm thổ, saccharose tạo nên các saccharat. Trong saccharat, hydro của nhóm hydroxyl được thay thế bởi một kim loại. Có thể kết tủa saccharat khỏi dung dịch bằng rượu. Phản ứng tạo thành saccharat phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch, lượng kiềm cũng như lượng saccharose.

C12H22O11 + NaOH  NaC12H21O11 + HOH

Y

Khi tác dụng với vôi sẽ thu các dạng phức saccharat: monocanxi saccharat

C12H22O11 . 2Cao

dicanxi saccharat

C12H22O11 . 3Cao . 3H2O

tricanxi saccharat

QU

C12H22O11 . Cao . 2H2O

M

Phản ứng tạo tricanxi saccharat được ứng dụng trong sản xuất saccharose từ rỉ đường.

KÈ

Phản ứng caramel: Caramel bản chất là một phản ứng khử nước.

Saccharose bị phân hủy và nóng chảy ở 1860C tạo caramel. Sản phẩm caramel được sử dụng tạo màu, mùi và vị đặc trưng của thực phẩm.

Y

 Maltose

DẠ

Nguồn gốc: Maltose còn được gọi là đường mạch nha, có nhiều trong các loại hạt cốc nảy mầm như thóc nảy mầm, mầm đại mạch,… Khi thủy phân tinh bột bằng enzyme có thể thu được maltose.

43

OF

FI

CI AL

Cấu tạo: Maltose được cấu tạo từ hai gốc α- glucopyranose liên kết với nhau qua liên kết glycoside giữa nhóm – OH ở vị trí C1 của phân tử glucose thứ nhất với nhóm – OH ở vị trí C4 của phân tử glucose thứ hai.

Do đó trong phân tử maltose vẫn còn một gốc – OH glycoside tự do nên maltose có tính khử.

Hình 1.9. Cấu tạo của phân tử Maltose

NH

ƠN

Tính chất: Maltose hiện diện là tinh thể ngậm một phân tử nước, nóng chảy ở 102-1030C. Tinh thể này không mất nước khi đun dưới áp suất thấp, cũng như khi dùng các chất làm khan nước như H2SO4 đậm đặc hay P2O5. Maltose tan trong nước, ít tan trong rượu, không tan trong eter.

Maltose là loại đường có độ ngọt kém và độ hòa tan cũng thấp hơn so với đường saccharose. Maltose có tính khử, dễ bị thủy phân bởi glucosidase hoặc HCl 3% để tạo ra hai gốc α- D- glucose.

Y

 Lactose

QU

Nguồn gốc: Lactose còn được gọi là đường sữa, vì nó chủ yếu có trong sữa người, sữa các loại động vật.

DẠ

Y

KÈ

M

Cấu tạo: Lactose được cấu tạo từ một phân tử β-D- glucose và β-Dgalactose qua liên kết 1-4 glycosid giữa nhóm –OH glycoside của β-Dgalactose và nhóm –OH rượu của β-D- glucose. Do đó lactose vẫn còn có một nhóm –OH glycoside nên vẫn mang tính khử.

44

Hình 1.10. Cấu tạo của phân tử Lactose

FI

CI AL

Tính chất: Lactose kết tinh chậm, tinh thể cứng và có nhiều dạng tinh thể. Vitamin B2 có thể ức chế sự kết tinh của lactose. Ở nhiệt độ thường lactose hòa tan trong nước ít hơn 10 lần so với saccharose, tuy nhiên ở 1000C thì độ hòa tan của nó xấp xỉ saccharose. Độ ngọt của lactose chỉ bằng 1/6 saccharose. Lactose khó bị thủy phân bởi acid hơn so với saccharose. Để thủy phân phải đun sôi với acid và không xảy ra hiện tượng nghịch đảo. Lactose dễ bị thủy phân bởi enzyme lactase.  Rafinose

OF

Nguồn gốc: Là một chất phổ biến trong tự nhiên, có nhiều trong hạt bông và trong củ cải đường. Rafinose còn có nhiều ở rỉ đường thu dược khi sản xuất đường từ củ cải đường.

QU

Y

NH

ƠN

Cấu tạo: Rafinose có chứa galactose, glucose và fructose. Các monosaccharide này gắn với nhau qua các –OH glycoside của chúng do đó rafinose không còn tính khử.

Hình 1.11. Cấu tạo của phân tử Rafinose

KÈ

M

Tính chất: Rafinose tinh thể không có vị ngọt, hòa tan trong nước, khi thủy phân bằng acid trong thời gian ngắn và ở nhiệt độ không cao sẽ xảy ra sự giải phóng fructofuranose. Tác dụng của enzyme invertase cũng cho kết quả tương tự. Phân tử disaccharide hình thành nếu tiếp tục bị thủy phân sẽ phân giải hoàn toàn thành D-glucose và D-galactose. Rafinose kém bền đối với nhiệt hơn saccharose.

Y

b. Vitamin

DẠ

Vitamin là nhóm các hợp chất có phân tử lượng tương đối nhỏ, có tính chất lý hóa khác nhau nhưng đặc biệt cần thiết cho hoạt động sống của bất kỳ cơ thể sinh vật nào. Vitamin cần cho cơ thể sống với lượng rất nhỏ 45

Các vitamin được phân nhóm trên các cơ sở sau: + Khả năng hòa tan + Cấu trúc hóa học

OF

FI

+ Vai trò sinh hóa

CI AL

xấp xỉ 0,1-0,2g (trong khi các chất dinh dưỡng khác khoảng 600g) và có vai trò như chất xúc tác. Cho đến nay đã có được 30 loại vitamin, xác định được cấu trúc hóa học, khảo sát về tính chất vật lý, tính chất hóa học cũng như tác dụng sinh học của chúng.

Cách phân loại thông dụng nhất được chấp nhận là phân loại theo khả năng hòa tan, có thể chia vitamin làm hai nhóm lớn:

ƠN

Nhóm vitamin hòa tan trong nước

NH

Vitamin B1 (thiamin), Vitamin B2 (riboflavin), Vitamin B3 (acid pantotenic), Vitamin B5 (nicotinamit), Vitamin B6 (piridoxin), Vitamin B7 (biotin), Vitamin B10 (acid folic), các vitamin B12 (các cianocobalamin), vitamin B15 (acid pangaminic), vitamin C, vitamin P (citrin), vitamin U (S-metyl-metionin).

Nhóm vitamin hòa tan trong dầu béo

M

QU

Y

Vitamin A (antixerophtalmias), vitamin D, vitamin E, vitamin K. Các loại vitamin tan trong nước xúc tác và tham gia vào quá trình liên quan với sự giải phóng năng lượng (như oxy hóa khử, phân giải các chất hữu cơ) trong cơ thể. Các loại vitamin tan trong chất béo (dầu) tham gia vào các quá trình hình thành các chất trong các cơ quan và mô.

Tác dụng bổ sung lẫn nhau của các vitamin

KÈ

Thông thường các vitamin trong cùng một nhóm có tác dụng bổ sung, hoàn thiện, làm tăng tác dụng của nhau. Các nhóm đại diện cùng tác dụng như thế này gồm có:

DẠ

Y

- Nhóm các vitamin làm tăng khả năng chống lại viêm nhiễm gồm có vitamin A, B1, B2, C, D, H, P. - Nhóm các vitamin bảo đảm cho hệ thần kinh hoạt động hoàn hảo gồm vitamin A, B1, B2, C.

46

CI AL

- Nhóm các vitamin khởi động việc tạo máu gồm có vitamin A, B2, B12, acid folic, C, D. - Nhóm các vitamin chi phối tới việc tạo mô xương và răng gồm có vitamin A, B1, C, D. - Nhóm các vitamin chi phối tới hoạt động sinh dục gồm A, C, E.

FI

- Nhóm trợ giúp sự tăng trưởng: gồm tất cả các vitamin trừ vitamin H.

OF

Tính chất

ƠN

Vitamin A1 và A2 có thể tồn tại dưới nhiều dạng đồng phân hình học, nhưng chỉ có một số dạng có hoạt tính sinh học mà thôi. Vitamin A tham gia vào quá trình trao đổi lipid, glucid, và muối khoáng. Khi thiếu vitamin A dẫn đến các hiện tượng: - Giảm tích lũy protein ở gan, ngừng tổng hợp albumin huyết thanh.

NH

- Giảm lượng glycogen và tăng tích lũy acid pivuric ở não, cơ và gan do ảnh hưởng làm giảm vitamin B1 và acid lipoic cần thiết để chuyển hóa acid pivuric.

- Làm tăng sỏi thận và làm giảm kali ở nhiều bộ phận khác nhau.

QU

Y

- Vitamin A tham gia vào việc duy trì trạng thái bình thường của biểu mô, tránh hiện tượng sừng hóa. Vitamin A có nhiều trong các động vật biển: gan cá, trứng, ở thịt ít vitamin A hơn. Các loài củ quả có màu đỏ da cam như cà chua, cà rốt có chứa nhiều tiền vitamin A. Tiền vitamin A là β –caroten.

M

Các vitamin chính

KÈ

 Vitamin A: Còn có các tên là retinol, axerophthol,...

Vitamin A tồn tại trong tự nhiên gồm 2 dạng:

Y

- Retinol: dạng hoạt động của vitamin A, nó được đồng hóa trực tiếp bởi cơ thể.

DẠ

- Tiền vitamin A: nó chính là một tiền chất của vitamin A được biết đến nhiều dưới tên bêta-caroten. Tiền chất này được chuyển hóa bởi ruột thành vitamin A để cơ thể có thể sử dụng.

47

CI AL FI OF

Hình 1.12. Công thức cấu tạo 2 dạng của vitamin A

ƠN

Vai trò: Vitamin A có nhiều chức năng quan trọng đối với cơ thể con người.

NH

- Thị giác: Mắt được cấu tạo bởi các sắc tố có chứa vitamin A. Nó được hấp thụ bởi luồng thần kinh được vận chuyển nhờ dây thần kinh thị giác. Vì vậy sự có mặt của vitamin A là một phần không thể thiếu đối với việc đảm bảo thị giác của con người.

QU

Y

- Các mô: Vitamin A kích thích quá trình phát triển của các biểu mô như mô sừng, ruột và các con đường hô hấp. Nó cũng ảnh hưởng đặc biệt đến da, kích thích sự liền sẹo và phòng ngừa các chứng bệnh của da như trứng cá.

KÈ

M

- Sự sinh trưởng: Do vai trò quan trọng trong sự phát triển tế bào của con người, nên vitamin A là yếu tố không thể thiếu đối với sự phát triển của phôi thai và trẻ em. Vitamin A còn có vai trò đối với sự phát triển của xương, thiếu vitamin A làm xương mềm và mảnh hơn bình thường, quá trình vôi hóa bị rối loạn.

- Hệ thống miễn dịch: Do các hoạt động đặc hiệu lên các tế bào của cơ thể, vitamin A tham gia tích cực vào sức chống chịu bệnh tật của con người.

DẠ

Y

- Chống lão hóa: Vitamin A kéo dài quá trình lão hóa do làm ngăn chặn sự phát triển của các gốc tự do.

- Chống ung thư: Hoạt động kìm hãm của nó với các gốc tự do cũng dẫn đến ngăn chặn được một số bệnh ung thư.

48

FI

CI AL

 Vitamin D: Còn có các tên là antirachitic factor, calcitriol,...

Hình 1.13. Công thức cấu tạo vitamin D

ƠN

OF

Đây là một nhóm hóa chất trong đó về phương diện dinh dưỡng có 2 chất quan trọng là ecgocanxiferon (vitamin D2) và colecanxiferon (vitamin D3). Trong thực vật, ecgosterol, dưới tác dụng của ánh nắng sẽ cho ecgocanxiferon. Trong động vật và người có 7-dehydro-cholesterol, dưới tác dụng của ánh nắng sẽ cho colecanxiferon.

Vai trò:

NH

- Hình thành hệ xương: Vitamin này tham gia vào quá trình hấp thụ canxi và phospho ở ruột non, tham gia vào củng cố, tu sửa xương.

- Cốt hóa răng: tham gia vào việc tạo ra độ chắc răng con người.

QU

Y

- Chức năng khác: Vitamin D còn tham gia vào điều hòa chức năng một số gen. Ngoài ra, còn tham gia một số chức năng bài tiết của insulin, hormon cận giáp, hệ miễn dịch, phát triển hệ sinh sản và da ở nữ giới.

DẠ

Y

KÈ

M

 Vitamin E: Còn có tên khác là tocopherol

Hình 1.14. Công thức cấu tạo vitamin E 49

CI AL

Vitamin E là một chất chống oxy hóa tốt do cản trở phản ứng xấu của các gốc tự do trên các tế bào của cơ thể.

Vai trò:

- Ngăn ngừa lão hóa: vitamin E có vai trò quan trọng trong việc chống lão bằng cách ngăn chặn các gốc tự do.

FI

- Ngăn ngừa ung thư: kết hợp với vitamin C tạo thành nhân tố quan trọng làm chậm sự phát sinh của một số bệnh ung thư.

OF

- Ngăn ngừa bệnh tim mạch: vitamin E làm giảm các cholesterol xấu và làm tăng sự tuần hoàn máu, làm giảm nguy cơ mắc các bệnh tim mạch.

- Hệ thống miễn dịch: kích thích hệ thống miễn dịch hoạt động bình thường bằng việc bảo vệ các tế bào...

NH

ƠN

 Vitamin B1: Còn có các tên là thiamin, aneurin,...

Y

Hình 1.15. Công thức cấu tạo vitamin B1

QU

Vitamin B1 đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra năng lượng cần thiết cho các hoạt động chức năng của con người.

Vai trò:

KÈ

M

- Đồng hóa đường: vitamin B1 cần thiết cho việc tạo ra một loại enzyme (tham gia vào thành phần của coenzyme) quan trọng tham gia vào quá trình chuyển hóa đường và quá trình phát triển của cơ thể. Khi thiếu vitamin B1, acid pyruvic sẽ tích lũy trong cơ thể gây độc cho hệ thống thần kinh. Vì thế nhu cầu vitamin B1 đối với cơ thể tỷ lệ thuận với nhu cầu năng lượng.

DẠ

Y

- Nhân tố ngon miệng: kích thích sự tạo thành một loại enzyme tham gia vào quá trình đồng hóa thức ăn, kích thích cảm giác thèm ăn.

- Sự cân bằng về thần kinh: Vitamin B1 tham gia điều hòa quá trình dẫn truyền các xung tác thần kinh, kích thích hoạt động trí óc và trí nhớ.

50

 Vitamin B2

OF

FI

CI AL

Vitamin B2 còn có các tên là riboflavin, giữ vai trò xác định trong các phản ứng của một số enzyme cần thiết cho quá trình hô hấp (tham gia vào thành phần của các enzyme vận chuyển hydro).

ƠN

Hình 1.16. Công thức cấu tạo vitamin B2 Vai trò:

- Nhân tố phát triển

Y

- Tình trạng của da

NH

- Cân bằng dinh dưỡng: Vitamin B2 tham gia vào sự chuyển hóa thức ăn thành năng lượng thông qua việc tham gia sự chuyển hóa glucid, lipid và protein bằng các enzyme.

QU

- Thị giác: vitamin B2 ảnh hưởng tới khả năng cảm thụ ánh sáng của mắt.

DẠ

Y

KÈ

M

 Vitamin C: Còn có các tên là acid ascorbic.

Hình 1.17. Công thức cấu tạo vitamin C 51

CI AL

Vitamin C là một chất chống oxy hóa tốt, nó tham gia vào nhiều hoạt động sống quan trọng của cơ thể.

Vai trò:

- Kìm hãm sự lão hóa của tế bào: nhờ phản ứng chống oxy hóa mà vitamin C ngăn chặn ảnh hưởng xấu của các gốc tự do, hơn nữa nó có phản ứng tái sinh mà vitamin E – cũng là một chấtchống oxy hóa – không có.

OF

FI

- Kích thích sự bảo vệ các mô: chức năng đặc trưng riêng của viamin C là vai trò quan trọng trong quá trình hình thành collagen, một protein quan trọng đối với sự tạo thành và bảo vệ các mô như da, sụn, mạch máu, xương và răng.

ƠN

- Kích thích nhanh sự liền sẹo: do vai trò trong việc bảo vệ các mô mà vitamin C cũng đóng vai trò trong quá trình liền seo.

- Ngăn ngừa ung thư: kết hợp với vitamin E tạo thành nhân tố quan trọng làm chậm quá trình phát bệnh của một số bênh ung thư.

NH

- Tăng cường khả năng chống nhiễm khuẩn: kích thích tổng hợp nên interferon - chất ngăn chặn sự xâm nhập của vi khuẩn và virut trong tế bào.

QU

Y

- Dọn sạch cơ thể: vitamin C làm giảm các chất thải có hại đối với cơ thể như thuốc trừ sâu, kim loại nặng, CO, SO2, và cả những chất độc do cơ thể tạo ra.

- Chống lại chứng thiếu máu: vitamin C kích thích sự hấp thụ sắt bởi ruột non. Sắt chính là nhân tố tạo màu cho máu và làm tăng nhanh sự tạo thành hồng cầu, cho phép làm giảm nguy cơ thiếu máu.

M

c. Acid amin

KÈ

Định nghĩa

Acid amin là dẫn xuất cacboxyl trong đó hydro được thay thế bằng nhóm amin.

DẠ

Y

Công thức

52

R

CH NH2

COOH

Tính chất vật lý

CI AL

- Acid amin có dạng tinh thể màu trắng, bền ở nhiệt độ 200C – 250C, ở nhiệt độ 1000C – 2000C chỉ có một số acid amin khép vòng như acid glutamic, glutamin.

- Đa số acid amin đều có vị ngọt.

FI

- Độ hòa tan: tan khá tốt trong nước, mức độ tan có khác nhau.

COOH

COOH C* R

H

H

(L.a.acid)

C*

ƠN

H2N

OF

- Tính quang hoạt: trừ glycin, các acid amin đều có tính chất quang hoạt. Có 2 dạng đồng phân quang học là D và L.

NH2

R

(D.a.acid)

NH

- Acid amin dạng L được hấp thụ bởi thực vật, dạng D ảnh hưởng xấu đến quá trình trao đổi chất.

QU

Y

- Tính acid – bazơ của acid amin: Nhóm a-OOH và a-NH2 trong acid amin có khả năng ion hoá. Như vậy sau khi ion hoá thì phản ứng cân bằng ion có khả năng được viết như sau: R-COOH <--------> R-COO- + H+ R-NH3+ <---------> R-NH2 + H+

DẠ

Y

KÈ

M

Như các loại acid hữu cơ, cường độ acid của nhóm cacboxyl, amin và gốc R bị ion hoá trong acid amin có thể được định nghĩa bởi hằng số kết hợp Ka, hoặc thường lấy âm log của Ka, là pKa. Tổng đại số về điện tích của nhóm hiện diện của bất kỳ acid amin, peptid hoặc protein sẽ phụ thuộc vào độ pH của môi trường nước xung quanh. Vì vậy, khi pH của dung dịch của acid amin hoặc protein thay đổi, thì tổng điện tích cũng thay đổi. Hiện tượng này có thể được theo dõi suốt sự chuẩn độ của bất kỳ acid amin hay protein. Khi điện tích tổng cộng của acid amin hay protein là không thì pH sẽ tương đương với điểm đẳng điện (pI).

53

Các loại acid amin

CI AL

Aspartic:

FI

- Mã di truyền: GAU, GAC. - Nó chứa nhiều trong măng tây.

NH

- Mã di truyền: GAA, GAC.

ƠN

Glutamat:

OF

- Khối lượng phân tử: 114.08 Dalton.

- Khối lượng phân tử: 128.11Dalton.

- Nó chứa nhiều trong lúa mì và đậu nành.

Y

- Ứng dụng trong việc sản xuất bột ngọt .

M

QU

Lysine:

- Mã di truyền: AAA, AAG.

KÈ

- Khối lượng phân tử: 129.19 Dalton.

- Nó cần được bổ sung khi ta ăn bánh mì.

DẠ

Y

Agrinine:

54

- Mã di truyền: CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG.

CI AL

- Khối lượng phân tử: 157.2 Dalton.

- Acid amin duy trì chức năng của tế bào máu và các chất hữu cơ .

- Mã di truyền: CAU, CAC. - Khối lượng phân tử: 138.16 Dalton.

OF

FI

Hystidin:

- Acid amin cần để sản xuất Histamin và chất khác.

NH

ƠN

Glycine:

- Mã di truyền: GGU, GGC, GGA, GGG. - Khối lượng phân tử: 57.07 Dalton.

QU

Y

- Acid amin cần thiết để sản xuất glutathione và porphyrin, một hợp chất của hemoglobin.

M

Serin:

KÈ

- Mã di truyền: UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC. - Khối lượng phân tử: 87.09 Dalton.

- Acid amin cần để sản xuất phospholipid và axit glyceric (C3H6O4).

DẠ

Y

Threonin:

55

OF

ƠN

- Mã di truyền: UGU, UGC. - Khối lượng phân tử: 103.15 Dalton.

Tyrosine:

FI

CI AL

- Mã di truyền: ACU, ACC, ACA, ACG. - Khối lượng phân tử: 101.12 Dalton.

- Acid amin cần thiết sử dụng tạo hoạt động của enzyme.

Cystein:

QU

Y

NH

- Mã di truyền: UAU, UAC. - Khối lượng phân tử: 163.12 Dalton.

- Acid amin sản xuất các amin cần thiết cùng với tryptophan và phenylalanin Asparagin:

DẠ

Y

KÈ

M

- Mã di truyền: AAU, AAC. - Khối lượng phân tử: 114.1 Dalton.

- Acid amin sản xuất các amin cần thiết cùng với tryptophan và phenylalanin.

Glutamine:

56

- Khối lượng phân tử: 128.14 Dalton.

- Acid amin cần thiết duy trì chức năng mô.

FI

Alanin:

CI AL

- Mã di truyền: CAA, CAG.

NH

ƠN

OF

- Mã di truyền: GCU, GCC, GCA, GCG. - Khối lượng phân tử: 71.09 Dalton.

- Acid amin cung cấp nguồn năng lượng quan trọng.

Valin:

M

QU

Y

- Mã di truyền: GUU, GUC, GUA, GUG. - Khối lượng phân tử: 99.15 Dalton.

- Acid amin có nhiệm vụ tăng protein và cung cấp năng lượng.

Leucin:

DẠ

Y

KÈ

- Mã di truyền: UUA, UUG, CUU, CUG, CUA, CUG. - Khối lượng phân tử: 113.18 Dalton.

- Acid amin có nhiệm vụ tăng protein và cung cấp năng lượng.

Isoleucin:

57

FI

CI AL

- Mã di truyền: AUU, AUC, AUA. - Khối lượng phân tử: 113.18 Dalton.

- Acid amin có nhiệm vụ tăng protein và cung cấp năng lượng.

Proline :

NH

ƠN

OF

- Mã di truyền: CCU, CCC, CCA, CCG. - Khối lượng phân tử: 97.13 Dalton.

- Acid amin là hợp chất chính của collagen cấu tạo da và cơ.

Phenylalanin:

M

QU

Y

- Mã di truyền: UUU, UUC. - Khối lượng phân tử: 147.19 Dalton.

- Acid amin sử dụng để sản xuất các amin hữu dụng khác nhau.

Trytophan :

DẠ

Y

KÈ

- Mã di truyền: UGG. - Khối lượng phân tử: 186.23 Dalton.

- Acid amin sử dụng để sản xuất các amin hữu dụng khác nhau.

Methionin :

58

CI AL

- Mã di truyền: AUG. - Khối lượng phân tử: 131.21 Dalton.

- Acid amin sử dụng để sản xuất các amin hữu dụng khác nhau. Ứng dụng + Lysine:

ƠN

OF

FI

Giới thiệu chung: Lysine là acid amin mà cơ thể không tự chế tạo được mà phải tiếp nhận chúng từ thực phẩm. Ngoài ra, do hàm lượng lysine trong thực vật thường thấp, khiến cho hệ số sử dụng của protein động vật và thực vật rất thấp. Trong thức ăn bổ sung một lượng lysine, có thể nâng cao hệ số sử dụng protein. Lysine được áp dụng rộng rãi trong thực phẩm như chất tăng cường dinh dưỡng, chất phụ gia thức ăn, dịch truyền amin v.v...

Sản xuất lysine:

NH

- Sản xuất lysine có các phương pháp: 1. Trích ly, 2. Tổng hợp, 3.

Dùng enzyme, 4. Lên men với phụ gia, 5. Lên men trực tiếp.

QU

Y

- Phương pháp lên men trực tiếp là sử dụng loại nấm men sản sinh lysine có đặc trưng sinh lý đặc biệt, thực hiện lên men trong điều kiện nhất định, tận dụng nguyên liệu chất đường có chất lượng cao của thiên nhiên, để chất lên men chuyển hóa thành lysine. + Acid Glutamic:

KÈ

M

Giới thiệu chung: Acid glutamic là một loại acid amin có thể tổng hợp trong cơ thể con người, và thường thấy trong cơ thể động vật, thực vật dưới các dạng khác nhau. Do acid glutamic và các dẫn xuất có đặc tính riêng, chúng được dùng rộng rãi trong trị bệnh, bổ sung sinh trưởng cho thực vật. Trong kết cấu phân tử, acid glutamic có hai gốc hydroxyl và một gốc amin, nó là chất lưỡng tính mang cả tính acid và kiềm, có thể làm nguyên liệu cho các loại mỹ phẩm, thực phẩm và hóa phẩm.

DẠ

Y

Kết cấu phân tử:

59

Ứng dụng: acid glutamic có thể được ứng dụng trong 2 lĩnh vực.

FI

CI AL

- Sản phẩm nghiên cứu khoa học và tiêu chuẩn phân tích: Các hợp chất bao gồm acid glutamic và dẫn xuất của nó, được xem là chất thử hóa học dùng trong nghiên cứu sinh vật học. Thuốc thử acid glutamic cùng các dẫn xuất và công nghệ tổng hợp protein, sinh học tế bào đều liên quan đến công việc nghiên cứu sinh hóa. Mặt khác, các ngành gia công thực phẩm và điều chế dược phẩm đều cần những mẫu tiêu chuẩn phân tích thích hợp để dùng vào việc kiểm nghiệm protein của thực phẩm và dược phẩm.

ƠN

OF

- Ứng dụng trong y học và dược học: Trong tương lai gần, nhu cầu acid glutamic dùng cho chữa bệnh và thuốc chữa bệnh sẽ không ngừng tăng trưởng. Trong các sản phẩm này, rất quan trọng là dịch bổ sung dinh dưỡng đường ruột cho các bệnh nhân đang trong tình trạng trầm trọng với thuốc kích thích thần kinh. Trong y dược, nhiều ứng dụng khác bao gồm các loại thực phẩm đồ uống cho người bệnh có khả năng trao đổi chất thất thường và thuốc làm tan đờm trong phổi.

NH

Sự biến đổi của các acid amin Do nhiệt độ:

+ Gia nhiệt là công đoạn phổ biến cho mọi sản phẩm thực phẩm.

QU

Y

+ Khi gia nhiệt ở nhiệt độ 110 – 120oC thì gây phá hủy một phần Cys và Cystin tạo thành H2S, dimetylsulfua, acid Cysteic và các hợp chất khác khiến cho sản phẩm có mùi đặc trưng. + Khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao hơn nữa thì tạo cầu đồng hóa trị isopeptid => giảm quá trình tiêu hóa protein.

Y

KÈ

M

+ Khi gia nhiệt khan thì triptophan bị vòng hóa tạo ra a, b, g cacbolin.

N H

DẠ

a - cacbolin

60

H3 C

R

NH2

NH2

N

R

R N H

b - cacbolin

N H

g - cacbolin

(R là H hay CH3) Hình 1.18. Cấu tạo phân tử Cacbolin

Khi thủy phân protein trong kiềm pH > 7 thì: + Arg phân hủy thành Ornitin và Ure. + Cystein bị chuyển thành dehydroalanin. + Ser, Thr, Lys bị phá hủy.

CI AL

Do pH:

FI

+ Một số acid amin chuyển từ dạng L sang dạng D => làm giảm giá trị dinh dưỡng.

OF

+ Trong môi trường acid pH < 7, dưới nhiệt độ cao: Tryp bị phân hủy hoàn toàn. Các acid amin có S bị oxy hóa 10-30%. d. Lipid

NH

ƠN

Lipid hay là chất béo là nhóm hợp chất hữu cơ tự nhiên rất phổ biến trong tế bào động vật và thực vật, có thành phẩm hóa học và cấu tạo khác nhau nhưng cùng có tính chất chung là không hòa tan trong nước mà hòa tan trong các dung môi hữu cơ (ete, cloroform, benzen, ete petrol, toluen, ...). Lipid là hợp chất cấu tạo quan trọng của các màng sinh học, là nguồn cung cấp năng lượng (37,6.106 J/kg), nguồn cung cấp các vitamin A, D, E, K và F cho cơ thể.

Phân loại

QU

Y

Lipid góp phần tạo ra kết cấu cũng như tính cảm vị đặc trưng của rất nhiều thực phẩm.

Dựa vào phản ứng xà phòng hóa, lipid có thể chia ra hai nhóm sau:

KÈ

M

- Lipid xà phòng hóa được, nhóm này bao gồm các glixerid, glixerophospholipid và sáp (cerid) nghĩa là những lipid mà trong phân tử có chứa chức este của acid béo cao phân tử.

Y

- Lipid không xà phòng hóa được, tức là những lipid trong phân tử không chứa chức este, nhóm này gồm các hydrocacbon, các chất màu và các sterol.

DẠ

Dựa vào độ hòa tan, người ta chia lipid thành hai nhóm:

- Lipid thực sự, là những este hoặc amid của acid béo (có từ bốn cacbon trở lên) với một rượu. Nhóm này bao gồm: 61

+ Glixerolipid (este của glixerol)

CI AL

+ Sphingolipid (amid của sphingozin) + Cerid (este của rượu cao phân tử) + Sterid (este của sterol)

+ Etolid (este tương hỗ của hợp chất đa chức acid rượu)

FI

- Lipoid là những chất có độ hòa tan giống lipid. Nhóm này gồm: + Các carotenoid và quinon (các dẫn xuất của izopren)

OF

+ Sterol tự do + Các hydrocacbon

ƠN

Nếu dựa vào thành phần cấu tạo, có thể coi lipid gồm hai nhóm: - Lipid đơn giản: là este của rượu và acid béo, thuộc nhóm này có: + Triaxylglixerin

NH

+ Sáp (cerid) + Sterid

QU

Y

- Lipid phức tạp: trong phân tử của chúng ngoài acid béo và rượu còn có các thành phần khác như acid phosphoric, bazơ nito, đường. Nhóm này bao gồm các nhóm nhỏ sau: + Glixerophospholipid, trong phân tử có glixerin, acid béo và acid phosphoric. Gốc acid phosphoric có thể được este hóa với một aminalcol như colin hoặc colamin.

KÈ

M

+ Glixeroglucolipid, trong phân tử ngoài glixerin và acid béo còn có mono hoặc oligosacarid kết hợp với glixerin qua liên kết glucozid. + Sphingophospholipid, phân tử được cấu tạo từ aminalcol sphingozin, acid béo và acid phosphoric.

DẠ

Y

+ Sphingoglucolipid, phân tử được cấu tạo từ sphingozin, acid béo và đường.

Lipid đơn giản Triaxylglixerin:

62

FI

CI AL

Cấu tạo: Triaxylglixerin còn gọi là một lipid trung tính, dầu mỡ hoặc triglixerid. Triaxylglixerin là este của glixerin với acid béo do đó gọi là glixerid, có công thức chung như sau:

OF

Hình 1.19. Công thức cấu tạo của Triaxylglixerin Với - OCOR: gốc acid béo.

ƠN

Khi cả ba nhóm –OH của glixerin đều được este hóa thì gọi là triglixerid hay triaxylglixerin. Các acid béo phần lớn đều ở dạng este triglixerid còn ở dạng tự do rất ít do đó dầu mỡ cũng có tên là lipid trung tính.

NH

Các acid béo: Các acid béo trong triglixerid của dầu mỡ thường có mạch cacbon không phân nhánh, có số cacbon chẵn, bắt đầu từ acid có bốn cacbon đến acid béo có 38 cacbon.

QU

Y

Các acid béo no có công thức chung là C­nH2nO2: Acid butyric (C­4­), acid caproic (C6), acid capilic (C8) và acid capric (C10) có trong bơ sữa bò. Acid miristic (C14) có trong dầu lạc. Acid palmitic (C16) và acid stearic (C18) gần như có mặt trong tất cả các chất béo và thường chiếm lượng nhiều nhất.

Từ C12 trở đi, tất cả các acid béo là những chất rắn và hoàn toàn không hòa tan trong nước.

M

Các acid béo không no thường gặp: + Acidoleic: C18 có một nối đôi ở C9, ký hiệu là C18∆9;

KÈ

+ Acid linoleic: C18 có hai nối đôi ở C9 và C12, ký hiệu là C18∆9,12, rất phổ biến và là thành tố quan trọng của vitamin F; + Acid linolenic: C18 có ba nối đôi ở C9, C12 và C15, ký hiệu là C18∆ , có trong dầu cá sardin;

Y

9,12,15

DẠ

+ Acid arachidonic: C20 có bốn nối đôi, ký hiệu là C20∆5,8,11,14, có trong dầu cá (chiếm gần 20% trong dầu gan cá ngừ), trong phosphatid của tủy xương, trong não và trong phôi lúa.

63

CI AL

Độ không no hay không bão hòa của các acid béo được biểu thị bằng chỉ số iot, là lượng gam iot kết hợp được với 100 g axit béo. Chỉ số iot của acid oleic, acid linoleic và acid linolenic theo thứ tự là 90, 181, 275.

OF

FI

Các nối đôi của acid béo không no tự nhiên thường ở dạng cis, khi đun nóng, có mặt chất xúc tác thì dạng cis chuyển thành dạng trans, ví dụ: acid oleic có dạng cis khi đun nóng thì chuyển thành acid elaidic dạng trans, có nhiệt độ nóng chảy cao hơn. Điều đáng chú ý là các acid béo có hoạt tính vitamin F như acid linoleic thường có nối đôi cuối cùng nằm ở vị trí C12 và các nối đôi không ở dạng luân hợp (=CH-CH=) mà ở dạng malonic (=CH-CH2-CH=). Các acid béo không no trong dầu thực vật thường ở vị trí b, trái lại trong mỡ lợn và dầu cá chúng lại ở vị trí a và a’. Ví dụ, trong bơ ca cao chứa hơn 60% palmityl –1, oleyl–2, stearyl–3–glixerol.

Y

NH

ƠN

Dầu mỡ tự nhiên: Có thể nói dầu mỡ tự nhiên là những triglixerid hỗn tạp. Quả vậy, trong dầu hoặc mỡ tự nhiên các triglixerid đơn rất ít, trong lúc đó hàm lượng triglixerid hỗn tạp lại rất cao. Điều này phù hợp với định luật về tính không đồng nhất tối đa. Chẳng hạn, thành phần của mỡ lá ở lợn gồm có: tristearin: 0%; stearodiolein: 15%; b – palmitodiolein: 42 – 75%; b – dipalmitostearoolein: 21 – 36%; b – palmitodistearin: 2%; dipalmitostearin: 3%; dipalmitoolein: 2%. Có thể tính số lượng các triglixerid trong một dầu mỡ theo công thức:

QU

(a + b + c + ...)3 = 1

Với a, b, c, ...: Lượng acid béo có trong hỗn hợp, biểu diễn bằng phần trăm số phân tử.

M

Nếu có ba acid palmitic, acid stearic và acid oleic tham gia thì sẽ có 10 triglixerid khác nhau về thành phần hóa học như ở phương trình sau:

KÈ

(P + S + O)3 = GP3 + GS3 + GO3 + 3GP2.S + 3.G.S2.P + 3.G.O2.P + 3GO2.S + 3GP2O + 3GS2O + 6GP.S.O = 1

Y

18 triglixerid, nếu kể thêm các đồng phần do vị trí của các gốc acid béo trên chức rượu bậc nhất hoặc bậc hai của glixerin.

DẠ

27 triglixerid nếu kể cả các đồng phân enantiome.

Triaxylglixerin của động vật: Triaxylglixerin của động vật thường được tập trung trong các tế bào

64

FI

CI AL

của mô mỡ thành một lớp mỡ dưới da, hoặc bao quanh một số cơ quan hoặc nằm xen giữa các mô khác. Trong tế bào đã trưởng thành của mô mỡ, các triglixerid được khuếch tán rất tinh vi, khó phân biệt được hình dạng chúng ngay cả dưới kính hiển vi tốt nhất. Mô mỡ của lợn gọi là mỡ lá. Có thể thu được mỡ nước bằng cách nấu nóng chảy ở nhiệt độ dưới 800C (để mỡ không có màu và không có mùi), mỡ nổi lên bề mặt, tách ra bằng ly tâm.

OF

Triaxylglixerin của động vật trên cạn và của chim thì rắn và được gọi là mỡ, còn của cá và động vật dưới nước thì lỏng và được gọi là dầu động vật. Gan của một số động vật biển và cá thường rất giàu dầu này. Tỷ lệ các acid béo không no trong dầu cá, đặc biệt là trong dầu cá trích có thể chiếm tới 75%.

ƠN

Lipid trung tính chứa trong dịch lỏng động vật, ví dụ, trong sữa bò có 3,7%, sữa dê 4,8% đặc biệt trong sữa voi có 20% và sữa cá voi có 46%.

Dầu thực vật:

QU

Y

NH

Chất béo lấy từ nguyên liệu thực vật được gọi là dầu thực vật.

Dầu thực vật khác với dầu khoáng ở chỗ, dầu khoáng có bản chất hydrocacbon và thường thu được khi chưng cất dầu mỏ. Dầu thực vật cũng khác với tinh dầu ở chỗ, tinh dầu không chứa các glixerid mà chứa một hỗn hợp gồm aldehide, ceton, rượu, hydrocacbon và este của acid béo phân tử thấp.

M

Trong cây, glixerid là phần tạo thành tất yếu của hạt. Hạt của một số cây chứa rất nhiều glixerid gọi là hạt có dầu, thường là nguyên liệu công nghiệp để khai thác dầu.

KÈ

Trong các quả như quả dừa cũng có nhiều glixerid. Nói chung trong hạt và quả có dầu, triaxylglixerin phân bố ít nhiều đồng đều. Còn trong hạt hòa thảo, ví dụ: hạt ngô, hạt lúa mì dầu béo chủ yếu tập trung ở trong phôi.

Y

Dựa vào nguồn khai thác, dầu thực vật có thể chia ra: dầu từ hạt và dầu từ thịt quả.

DẠ

Dựa vào mục đích kỹ thuật có thể phân ra: dầu rắn và dầu lỏng. Dầu lỏng lại chia ra dầu khô, dầu bán khô và dầu không khô tương ứng với khả năng tạo màng khác nhau của chúng khi để khô trong không khí.

65

FI

CI AL

Dầu khô như dầu chẩu, dầu lanh, có chứa nhiều acid béo chưa no ba nối đôi, khi đổ thành lớp mỏng để ngoài không khí, dưới tác dụng của oxy phân tử sẽ bị khô lại sau vài ngày. Màng oxin tạo thành sẽ rắn, không hòa tan trong dung môi hữu cơ thông thường, còn trong dung môi ete dietyl thì chỉ bị trương ra. Màng không bị nóng chảy mà chỉ bị mềm ra khi ở nhiệt độ đạt đến 230 – 2500C, rồi bị phá hủy. Dầu loại này thường có chỉ số iot lớn hơn 130.

OF

Dầu bán khô như dầu bông, dầu hướng dương, dầu cá,... chỉ chứa acid linoleic, để ngoài không khí trong điều kiện tương tự bị khô chậm hơn. Màng oxin tạo ra mềm, dính, dễ hòa tan trong ete dietyl. Khi đun nóng đến 950C – 1250C đã bị chảy ra. Dầu loại này có chỉ số iot là 85 – 130.

ƠN

Dầu không khô như dầu oliu, dầu lạc,... trong điều kiện tương tự không tạo thành màng mà chỉ bị đặc lại. Trong tất cả các loại dầu, dầu thầu dầu hoàn toàn không khô, không tạo thành màng và cũng không đặc lại.

NH

Tính chất chung của triaxylglixerin:

QU

Y

Ở nhiệt độ thường, triaxylglixerin có thể ở trạng thái rắn hoặc lỏng.

Triaxylglixerin không hòa tan trong nước mà tách thành lớp. Tuy nhiên, trong những điều kiện nhất định, dưới tác dụng của chất nhũ hóa, chúng có thể tạo ra nhũ tương. Nhiều triaxylglixerin ở nhiệt độ thường có tính dẻo, do đó tạo cho các thực phẩm có được những tính chất chức năng riêng.

Nhiệt độ nóng chảy của triaxylglixerin cũng tương đối thấp, do đó nhiều thực phẩm bị mềm hoặc hóa lỏng khi được gia nhiệt vừa phải.

KÈ

M

Nhiệt độ nóng chảy của một triaxylglixerin phụ thuộc nhiều yếu tố: sự có mặt của acid béo mạch ngắn hoặc acid béo không no thường làm giảm điểm nóng chảy. Các đồng phân của các acid béo (đồng phân do vị trí và đồng phân cis hoặc trans của các nối đôi) và vị trí của các acid béo trên glixerin cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy của triglixerid.

DẠ

Y

Như chúng ta đã thấy, tất cả mỡ và dầu tự nhiên đều chứa các triglixerid khác nhau, do đó không bao giờ có một điểm nóng chảy rõ ràng mà thường có khoảng nóng chảy. Các triglixerid có điểm nóng chảy tương đối cao (ở nhiệt độ thường) thường tồn tại dưới dạng các tinh thể rắn lơ lửng trong các triglixerid lỏng. Chính sự có mặt của các tinh thể rắn trong

66

CI AL

pha lỏng làm cho các mỡ rắn có được tính dẻo đặc trưng. Một chất béo chỉ gồm toàn một kiểu triglixerid thì chỉ là rắn hoặc lỏng. Nhiệt độ nóng chảy của mỡ hoặc dầu còn phụ thuộc độ hòa tan của các triglixerid rắn.

FI

Số lượng, kích thước và hình dáng của các tinh thể triglixerid trong một chất béo cũng phụ thuộc vào vận tốc làm lạnh hoặc đun nóng, vận tốc khuấy trong quá trình chế biến, thời gian và nhiệt độ bảo quản sau này.

+ Phản ứng xà phòng hóa:

ƠN

OF

Các chất béo còn có những tính chất chức năng rất đặc trưng. Ví dụ, bơ và margarin thì có khuynh hướng lan tỏa ra, ca cao thì có tính giòn khi ở nhiệt độ thường nhưng lại dễ chảy ra khi ở nhiệt độ của miệng, dầu ăn thì có độ trong suốt hoặc một số chất béo dùng trong sản xuất bích qui thì có khả năng nhũ hóa không khí và bôi trơn cấu trúc của bánh bích qui.

NH

Dưới tác dụng của enzyme lipase, acid hoặc kiềm, liên kết este trong phân tử glixerid bị thủy phân tạo thành glixerin và acid béo hoặc muối của acid béo. Các muối này được gọi là xà phòng.

M

QU

Y

Xà phòng bình thường là hỗn hợp các muối natri của các acid béo.

Muối kali của acid béo tạo ra xà phòng mềm. Xà phòng làm ra từ dầu oliu thường nổi trong nước vì bão hòa khí. Người ta thường thêm vào xà phòng các chất thơm và chất diệt khuẩn.

KÈ

Hình 1.20. Phản ứng xà phòng hóa

+ Phản ứng chuyển este hóa:

DẠ

Y

Trong những điều kiện nhiệt độ và môi trường thích hợp, nhất là khi vắng mặt nước và có mặt chất xúc tác, các gốc acid béo trong cùng một triglixerid hoặc giữa các triglixerid có thể đổi chỗ cho nhau. Trong thực tế, khi xử lý dầu mỡ, phản ứng chuyển este hóa sẽ xảy ra vừa trong cùng một phân tử vừa giữa các phân tử triglixerid.

67

N

S

N

S

N

FI

S

CI AL

Ví dụ, phản ứng chuyển este hóa giữa các phân tử của một triglixerid chứa ba acid béo no với một triglixerid chứa ba acid béo không no:

OF

Nếu lấy lượng phân tử bằng nhau thì sẽ cho hỗn hợp các triglixerid với phân tử phần như sau: SSS 12,5%; SNS 12,5%; NSN 12,5%; NSS (và SSN) 2,5%; SNN (và NNS) 25%.

Tám tổ hợp đều có cùng khả năng với xác suất 100/8 = 12,5/100.

ƠN

Chất xúc tác thường dùng là alcolat kiềm (natri etylat hoặc natri metylat) với nồng độ 0,1 đến 0,3%. Nhiệt độ chuyển este hóa thường là từ 110 – 1600C.

NH

Có thể dùng phản ứng chuyển este hóa để thu được mỡ lợn các chất béo có khả năng nhũ hóa, để dùng trong sản xuất bánh ngọt và kem đá.

Qua phản ứng này sẽ loại bỏ được các tinh thể glixerid thô vốn tạo ra trong kem các hạt cứng.

QU

Y

Để đạt mục đích này, người ta tiến hành chuyển este ở nhiệt độ tương đối thấp nhằm làm cho các triglixerid có điểm nóng chảy cao bị kết tinh rồi tách ra (có thể bằng cách lọc). Cân bằng bị chuyển dịch và khi đó thu được một hỗn hợp các triglixerid có vùng nhiệt độ nóng chảy thấp hơn.

KÈ

M

Cũng có thể dùng phản ứng chuyển hóa este để chế hóa ra các mỡ rắn (cứng) giàu acid linoleic để sản xuất margarin. Ví dụ, phản ứng chuyển este hóa giữa dầu cọ đã hydro hóa với dầu hướng dương, có natri etylat xúc tác để tạo ra margarin không chứa acid béo dạng trans.

Y

Phản ứng chuyển este còn cho phép thu được các mono và diglixerid bằng cách tiến hành với một lượng glixerin dư, ở nhiệt độ 2000C trong chân không hoặc khí trơ.

DẠ

Sự chuyển este không làm biến đổi các acid béo. Tuy nhiên do sự thay đổi vị trí của các acid béo trên glixerin mà khả năng tiêu hóa của triglixerid và sự hấp thu của mỗi acid béo có thể bị biến đổi theo.

68

+ Phản ứng hydro hóa:

CI AL

Hydro hóa là phản ứng gắn hydro vào nối đôi của acid béo không no trong các glixerid.

OF

FI

Như chúng ta đã thấy, ở nhiệt độ thường mỡ động vật ở trạng thái rắn còn dầu thực vật ở trạng thái lỏng là do trong mỡ động vật hàm lượng acid béo no tương đối cao hơn. Khi kết hợp hydro vào nối đôi của acid béo không no sẽ làm cho dầu thực vật trở nên giống với chất béo động vật. Dầu thực vật đã hydro hóa hoàn toàn cũng giống hệt như mỡ cừu, do đó trong thực tế sản xuất, có trường hợp người ta chỉ hydro hóa đến một mức độ nào đó nghĩa là vẫn giữ lại một số nối đôi. Có hai kiểu hydro hóa:

Kiểu 1: hydro hóa chọn lọc một số dầu thực vật để làm giảm hàm lượng acid linolenic và do đó làm tăng độ bền của dầu. Chẳng hạn hydro hóa dầu đậu tương đã làm giảm hàm lượng acid linolenic từ 9% xuống dưới 1%, ứng với chỉ số iot từ 130 xuống 115.

ƠN

l

NH

Chất xúc tác phản ứng là bột niken (hoặc đồng và paladi). Hydro phải thật sạch vì cacbon oxit và các hợp chất lưu huỳnh có thể bị hấp thụ vào chất xúc tác rồi đầu độc nó.

QU

Y

Cần chú ý là chất xúc tác không chỉ hydro hóa một mình acid linolenic thành acid linoleic mà còn hydro hóa cả acid linoleic thành acid oleic. Ngoài ra sự hydro hóa còn tạo ra các đồng phân do vị trí (40 – 50%), đồng phân do nối đôi liên hợp (2%) và các đồng phân trans (10 – 15%) của các acid oleic và linoleic.

Kiểu 2: hydro hóa từng phần hay toàn bộ nhằm mục đích tạo ra các chất béo rắn làm nền để sản xuất margarin hoặc sản xuất mỡ nhũ hóa. Để thu được chất béo có độ đặc mong muốn ở điều kiện nhiệt độ bình thường, có nghĩa là phải nâng cao được điểm nóng chảy của nó bằng cách chuyển sang dạng trans.

KÈ

M

l

DẠ

Y

Khi hydro hóa toàn bộ, không tạo ra các đồng phân như đã nêu.

Ngược lại khi hydro hóa từng phần dầu đậu tương đến chỉ số iot 40 sẽ tạo ra 70% các đồng phân do vị trí, 2% đồng phân do nối đôi luân hợp và khoảng 40% đồng phân trans. Đây là chất làm nên các margarin thông thường.

69

CI AL

Nói chung, sự hydro hóa chọn lọc tiến hành ở nhiệt độ cao (1950C), áp suất cao (8000 tor), thời gian ngắn (30 phút), trong khi sự hydro hóa từng phần thực hiện ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn, nhưng thời gian dài hơn và nồng độ xúc tác 10 lần lớn hơn. Sau khi hydro hóa, dầu được ly tâm, lọc, tinh luyện và tẩy màu. Còn chất xúc tác thì thu hồi lại và tái sinh.

FI

Phản ứng hydro hóa có ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng vì nó làm giảm hàm lượng các acid béo cần thiết, hàm lượng vitamin và màu sắc của các chất màu carotenoid thường có mặt trong dầu.

OF

Sterid:

ƠN

Các sterid là những este của rượu vòng sterol với các acid béo cao.

Sterid là một nhóm khá lớn của lipid đơn giản. Trong thiên nhiên, các sterol tự do và các hợp chất tương tự sterol chiếm nhiều hơn so với sterid.

Ví dụ, cơ thể người chỉ có 10 sterol được este hóa ở dạng sterid, còn 90% sterol ở dạng tự do. Tỷ số giữa sterid và sterol trong các mô khác nhau của cơ thể động vật và thực vật hoàn toàn khác nhau.

QU

Y

NH

Các sterol là những chất rượu chưa no đơn chức, có vòng. Đó là những dẫn xuất của xiclopentanoperhydrophenantren.

Xiclopentanoperhydrophenantren có thể xem như sản phẩm ngưng tụ của xiclopentan và phenantren đã hoàn toàn được hydro hóa (perhydrophenantren). Xiclopentanoperhydrophenantren còn có tên gọi steran.

Y

KÈ

M

Steran vốn có đính thêm một chuỗi cacbon và hai nhóm metyl (ở nguyên tử cacbon thứ 10 và thứ 13 của vòng) được gọi là colestan.

DẠ

phenantren

perhydrophenantren

xiclopentan

Hình 1.21. Công thức cấu tạo của phenantren, perhydrophenantren và xiclopentan

70

CI AL FI OF

Hình 1.22. Công thức cấu tạo colestanol

ƠN

Các vòng được ký hiệu bằng chữ A, B, C, D như hình vẽ. Nếu như bị oxy hóa ở vị trí thứ ba (vòng A) thì colestan sẽ chuyển thành rượu đa vòng, tức là colestanol và coslestanol là chất tiền khởi của nhóm sterol.

NH

Tuy nhiên không nên nghĩ rằng trong tự nhiên, các sterol đều được tạo thành bằng phản ứng khử phenantren. Người ta đã chứng minh được rằng việc sinh tổng hợp các sterol được tiến hành bằng cách vòng hóa poluizoprenoid. Do đó thực chất các sterol là những dẫn xuất của polyizoprenoid.

M

QU

Y

Nhân đặc trưng của colestanol được lặp lại trong tất cả các sterol với những biến đổi không đáng kể, ví dụ xuất hiện liên kết đôi giữa các nguyên tử cacbon thứ năm và thứ 6, thứ bảy và thứ tám của vòng B hoặc giữa các nguyên tử cacbon thứ 22 và thứ 23 của mạch bên, hoặc xuất hiện ở vị trí 24 (trong mạch bên) một gốc, gốc này có cấu tạo là –CH3; –C2H5; –CH=CH2.

DẠ

Y

KÈ

Trong sterol tự nhiên, vòng A và B (có nối đôi ở 4 – 5 hoặc ở 5 – 6), thường có dạng kết hợp trans hoặc dạng kết hợp cis, còn vòng B và C cũng như vòng C và D lại có dạng kết hợp trans. Ngoài ra, các vòng xiclohexan với cấu hình dạng ghế thường thuận lợi hơn về phương diện năng lượng. Do đó các nhóm thế trong vòng có thể ở dạng b (ở trên) hoặc ở dạng a (ở dưới). Mạch hydrocacbon ở vị trí 17 và nhóm chức hydroxyl (OH) ở vị trí thứ ba thường ở dạng b. Phân tử sterol có thể chứa 1, 2 hoặc 3 liên kết kép, nhưng quan trọng hơn là liên kết kép ở 71

CI AL

các vòng, đặc biệt là ở vòng B. Mạch bên của sterol có thể chứa nối đôi và có thể phân nhánh.

Hàm lượng sterin trong các chất béo không nhiều, thường chỉ chiếm dưới 0,5%. Trong dầu thực vật lượng sterol nhiều hơn trong chất béo của động vật trên cạn.

FI

Các sterol đều không màu, dễ kết tinh nhưng dạng tinh thể và nhiệt độ nóng chảy của chúng khác nhau.

ƠN

OF

Sterol không hòa tan trong nước nhưng hòa tan dễ dàng trong các dung môi thông thường của chất béo (cloroform, ete,...) và trong rượu nóng. Sterol là những chất hoạt quang. Khi chưng cất ở áp suất khí quyển sterol bị phân hủy, nhưng ở trong chân không thì không bị phân hủy và phần nào được kéo theo với hơi nước quá nhiệt khi khử mùi chất béo trong chân không. Tính chất hóa học của sterol do nhóm rượu bậc hai (ở vị trí 3) và các liên kết đôi trong vòng quyết định.

NH

Nhóm rượu bậc hai này có thể được acid hóa (tạo este acetat) cũng như có thể bị oxy hóa đến ceton.

QU

Y

Sterol là chất có chứa liên kết đôi nên có thể bị oxy hóa (bởi oxy phân tử, acid perbenzoic hoặc ozon), có thể kết hợp với halogen cũng như có thể bị hydro hóa. Đáng chú ý, nối đôi ∆5 dễ bị hydro hóa còn liên kết đôi ∆7 khi hydro hóa thì bị chuyển sang vị trí ∆8(14).

M

Các sterol khi hydro hóa có mặt xúc tác sẽ tạo ra rượu no, sau đó (khi ở nhiệt độ cao) sẽ chuyển thành hydrocacbon. Nếu sterol ở trong dung dịch rượu amylic có thể bị khử đến hydrocacbon khi tác dụng với natri kim loại.

DẠ

Y

KÈ

Sterol tác dụng với alcaloid digitonin (C35H94O28) tạo thành hợp chất phân tử có tên là digitonid không hòa tan trong rượu. Khi đun sôi với xylen hợp chất phân tử này bị phân giải thành các chất dầu. Khi đó sterol hòa tan trong xylen, còn digitonin thì ở dạng kết tủa. Người ta thường dùng phản ứng này để tách sterol khỏi chất béo.

Các sterol có thể tạo este với các acid béo bậc cao để hình thành một nhóm hợp chất có tên là sterid.

72

CI AL FI OF ƠN

NH

Hình 1.23. Công thức của các sterol acid colic

QU

Y

Trong cơ thể động vật, các sterol bị oxy hóa và cho nhiều dẫn xuất, ví dụ: acid colic, acid 7 – dezoxycolic, oestradiol, testosterol. Acid colic là chất quan trọng nhất của mật vốn đảm bảo tiến trình bình thường của sự hấp thụ acid béo ở trong ruột người và động vật. Oestradiol và testosterol là những hormon chung tính nữ và nam có ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình hoạt động sống của cơ thể.

KÈ

M

Các sterol có ảnh hưởng đến tính thấm của nguyên sinh chất đối với các chất khác nhau, có thể bao vây tác dụng của một số chất độc hoặc có thể liên kết với các độc tố. Dưới đây là công thức của một số sterol (và dẫn xuất) từ động vật, thực vật và từ nấm:

DẠ

Y

Cholesterol là sterol chủ yếu của người và động vật, nghĩa là thuộc vào loại zoosterol. Ergosterol là sterol đặc trưng của các loài nấm. Sitosterol và stigmasterol là những sterol đặc trưng cho thực vật (phitosterol). Ví dụ, phitosterol trong dầu đậu tương, còn stigmasterol có trong dầu của phôi hạt lúa mì, fucosterol có trong các loài tảo xám.

73

CI AL FI OF

ƠN

Hình 1.24. Công thức của một số sterol (và dẫn xuất) khác Lipid phức tạp * Phospholipid:

NH

Phospholipid là những este của các rượu đa chức với các acid béo cao và có gốc acid phosphoric và những bazơ chứa nitơ đóng vai trò là các nhóm phụ bổ sung.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

Trong thành phần của các phospholipid khác nhau, người ta tìm được ba trong số các rượu đa nguyên tử: glixerin, izonid, sphingozin.

Do đó các phospholipid được chia thành ba nhóm: glixerophospholipid, izonitphospholipid, sphingophospholipid. Glixerophospholipid thường gọi là phosphatid, vì chúng có thể xem như là các dẫn xuất của acid phosphatidic:

74

Hình 1.25. Công thức phân tử phosphatidic acid

CI AL

Trong các phân tử của phospholipid thường có acid palmitic, acid stearic, acid linoleic, acid linolenic, acid arachidonic cũng như acid lignoxeric, acid nervonic,...Trong thành phần của phospholipid thường có một phân tử acid phosphoric, ở một vài loại izonitphospholipid có hai gốc acid phosphoric. Các bazơ nitơ của phospholipid rất khác nhau, thường gặp nhất là những dẫn xuất của etanolamin. Đó là colin và serin.

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

Sơ đồ cấu tạo của phospholipid được trình bày như hình bên dưới.

Từ cấu tạo hóa học của phospholipid, ta thấy rằng trong phân tử của chúng có những vùng có khả năng tương tác khác nhau với các phân tử của dung môi. Gốc hydrocacbon của các acid béo cao tạo thành vùng kỵ nước, còn các gốc của acid phosphoric và của bazơ nitơ vốn có khả năng ion hóa thì tạo thành vùng ưa nước. Nhờ đặc tính đó mà phospholipid tham gia trong việc đảm bảo tính thấm một chiều của các màng cấu trúc dưới tế bào. Khi hướng vùng kỵ nước về phía môi trường ngoài, các phospholipid có thể xúc tiến việc hấp thụ các hợp chất không phân cực hòa tan trong chất béo (tương tác với các gốc hydrocacbon) từ môi trường ngoài và chuyển chúng vào trong cấu trúc dưới tế bào.

M

Hình 1.26. Sơ đồ cấu trúc hóa học của các phospholipit

KÈ

Khi định hướng ngược lại, nghĩa là khi hướng vùng ưa nước về phía môi trường ngoài, chúng sẽ chuyển các phân tử phân cực từ trong ra ngoài.

DẠ

Y

Các phospholipid có gốc colin, hình như cũng có liên quan với vai trò, chức năng của chúng trong cơ thể. Colin đã được axetyl hóa, tức là axetylcolin rất hoạt động về mặt sinh lý và có một ý nghĩa lớn đối với hoạt động của mô thần kinh với tư cách là chất chuyển sự kích thích thần kinh.

75

CI AL

Hình 1.27. Công thức phân tử Acetylcolin

Đồng thời trong cơ thể colin là nguồn các nhóm metyl, người ta cho

ƠN

OF

FI

rằng phospholipid có liên quan đến các quá trình metyl hóa trong việc tổng hợp nhiều hợp chất quan trọng trong cơ thể sinh vật.

NH

Hình 1.28. Công thức cấu tạo Betain

QU

Y

Colin dễ dàng bị oxy hóa lúc đầu biến thành aldehid muscarin và sau đó biến thành acid betain có trong thực vật và động vật. Khi mất đi một phân tử nước, colin biến thành norin vốn có rất ít ở trạng thái liên kết trong thành phần của não, máu và thượng thận. Norin tự do rất độc. Cấu tạo hóa học của các dẫn xuất của colin.

KÈ

M

Phospholipid là những chất rắn, vô sắc nhưng hóa thành màu tối sẫm rất nhanh ở ngoài không khí do sự oxy hóa ở các liên kết đôi của các acid béo chưa no có trong thành phần của chúng. Chúng hòa tan rất dễ dàng trong bezen, trong ete dầu hỏa, trong cloroform,... Chúng không tan trong nước, nhưng có thể tạo thành các huyền phù phosphat khá bền và trong một số trường hợp chúng tạo thành các dung dịch keo.

DẠ

Y

Trong các hạt thực vật, trong tim gan của động vật, trong trứng của gia cầm,... rất nhiều phospholipid. Phospholipid dễ dàng tạo thành phức hợp với protein ở dạng phospholipoprotein. Chúng có mặt trong tất cả các tế bào của người, động vật, thực vật, vi sinh vật, với tư cách tham gia chủ yếu trong việc hình thành nên vỏ tế bào và các màng nội tế bào.

76

* Glixerophospholipid:

CI AL

Glixerophospholipid hay là phosphatid là những este của glixerin với acid béo cao và với acid phosphoric có đính bazơ nitơ.

OF

FI

Công thức tổng quát của phosphatid được trình bày như sau:

ƠN

Hình 1.29. Công thức cấu tạo của a - glicerophosphatid

NH

Trong đó R1 và R2 là các gốc hydrocacbon của acid béo cao còn X là bazơ nitơ. Các hợp chất loại này đều là những glicerophospholipid, vì gốc acid phosphoric liên kết với nguyên tử cacbon ngoài cùng của glixerin.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

Tùy theo đặc tính của bazơ nitơ mà người ta chia các phosphatid ra thành colin phosphatid (lecithin), colaminphosphatid (xephalin), serinphosphatid và treoninphosphatid:

Hình 1.30. Công thức cấu tạo của một số phosphatid 77

CI AL

Lecithin, xephalin và serinphosphatid có thể biến đổi lẫn cho nhau vì chúng chỉ khác nhau bởi cấu tạo của các bazơ nito. Việc biến đổi tương hỗ của các phosphatid khác nhau rõ ràng là có thể tiến hành không những chỉ do sự cải tiến của các bazơ nitơ mà còn bằng cách thay thế hoàn toàn các bazơ nitơ này. Vì có cấu tạo bất đối (nguyên tử cacbon thứ hai của gốc glicerin luôn luôn bất đối) cho nên phosphatid có tính hoạt quang và tạo thành các đồng phân lập thể tương ứng

ƠN

OF

FI

Khi thủy phân trong môi trường kiềm mạnh thì không những cả hai gốc acid béo mà cả gốc bazơ hữu cơ (rượu) cũng bị tách ra. Trong điều kiện này, liên kết giữa glicerin và acid phosphoric tương đối bền vững, vì thế còn thu được cả sản phẩm là glixerol – 3 – phosphat. Hợp chất này sẽ bị phân giải khi thủy phân bằng acid. Phosphatid cũng có thể bị thủy phân bằng những enzyme đặc hiệu gọi là phospholipase. Phospholipase thường được chia ra những enzyme sau:

NH

- Phospholipase A có trong nọc rắn chỉ tách được gốc acid béo ở vị trí b. Do đó sản phẩm tạo thành có tên là lizophosphatid. Trong tế bào và mô hình bình thường không có lizophosphatid. Lizophosphatid làm phá hủy màng, nên độc;

QU

Y

- Phospholipase B tách được gốc acid béo thứ hai (hoặc cả hai gốc).

Khi xử lý phosphatidylcolin bằng phospholipase B ta sẽ thu được glixerol – 3 – phospharylcolin; - Phospholipase C thì xúc tác thủy phân liên kết giữa acid phosphoric và glixerin;

DẠ

Y

KÈ

M

- Còn phospholipase D thì tách được gốc bazơ nitơ.

78

Hình 1.31. Vị trí tác dụng của phospholipase

* Inozitphospholipid:

CI AL

Cấu tạo nhóm phospholipid này vẫn chưa được rõ. Ngoài inozid (1 mol), acid phosphoric (1 – 2 mol) và acid béo cao (1 – 2 mol) khi thủy phân các izonidphospholipid còn thấy glicerin (1 mol), galactose và acid tartric.

FI

Như ta đã thấy công thức ở trên, chúng cũng tương tự như phosphatid, trong đó bazơ nitơ được thay thế bằng gốc izonid.

NH

ƠN

OF

Khi có mặt hai gốc acid phosphoric trong phân tử inozidphosphotid thì 2 nhóm phosphat sẽ liên kết với gốc izonid ở vị trí meta:

Y

Izonid – monophosphat;

Inozidol – M – diphosphat

QU

Hình 1.32. Vị trí liên kết giữa gốc izonid và gốc phosphat

DẠ

Y

KÈ

M

Và công thức của diphosphatizonid có thể trình bày như sau:

Hình 1.33. Công thức phân tử diphosphatizonid

Nếu cho rằng izonid có rất nhiều đồng phân không gian do sự phân bố khác nhau của các nguyên tử hydro của các nhóm hydroxyl so với mặt 79

CI AL

phẳng của vòng thì ở izonidphospholipid có rất nhiều dạng đồng phân. Từ đậu tương và từ mô não, người ta đã chiết xuất được một izonidphosphplipid rất phức tạp, có tên là lipozol. Khi thủy phân hoàn toàn lipozol sẽ được izonid, acid phosphoric, acid tartronic, galactose, etanolamin và acid béo. * Sphingolipid:

OF

FI

Sphingolipid hoặc sphingomielin cũng đều là những este được tạo nên từ acid béo, colin, acid phosphoric và amin rượu chưa no gọi là sphingozin.

ƠN

Hình 1.34. Cấu tạo phân tử sphingozin

QU

Y

NH

Khác với các phospholipid đã xét ở trên, gốc acid béo cao trong phân tử sphingolipid được kết hợp với amin – rượu hai nguyên tử bằng liên kết peptid (nghĩa là acid béo không phải được kết hợp với nhóm hydroxyl của rượu mà kết hợp với nhóm amin của amin – rượu):

Hình 1.35. Cấu tạo phân tử Sphingolipid

KÈ

M

Các cấu tử còn lại khác của sphingolipid tức là acid phosphoric và colin đều được kết hợp như ở phosphatid. Chính trong sphingolipid người ta đã phát hiện được acid lignoxeric và acid nervonic với một lượng đáng kể, các loại acid béo này có ít hơn ở trong các phospholipid khác.

DẠ

Y

Các sphingolipid đặc trưng đối với thế giới động vật hơn so với thế giới thực vật. Tuy nhiên từ các phospholipid có nguồn gốc thực vật (từ hạt ngô) người ta đã tách được amin – rượu hoàn toàn giống sphingozin gọi là phitosphingozin và có công thức như sau:

80

CI AL

Hình 1.36. Cấu tạo phân tử Phitosphingozin

OF

FI

Sphingolipid không hòa tan trong ete etylic. Tính chất này được dùng để chiết xuất chúng khỏi các phospholipit khác. Các cấu hình không gian khác rất phức tạp vốn liên quan đến hiện tượng đồng phân quang học (hai nguyên tử cacbon bất đối trong phân tử) và liên quan với hiện tượng đồng phân cis – trans ở vị trí của liên kết đôi là đặc trưng quan trọng của các sphingolipid.

ƠN

* Cerebrozid:

KÈ

M

QU

Y

NH

Cerebrozid được tạo nên từ amin – rượu hai nguyên tử chưa no sphingozin, acid béo và galactose. Các cerebrozid riêng biệt khác nhau bởi các acid béo có trong thành phần của chúng. Những acid béo này đều được tạo nên từ 24 nguyên tử cacbon và có thể có liên kết đôi và các nhóm hydroxyl. Cấu tạo của cerebrozid có thể trình bày dưới dạng công thức sau đây:

Hình 1.37. Cấu tạo phân tử cerebron

DẠ

Y

Ở đây, R1 trong các cerebrozid là –OH, trong sulfatid R1 là -SO3H, R2 là gốc acid béo (acid stearic, acid lignoceric, acid nervonic, acid cerebronic,...), acid béo này được kết hợp vào sphingozin nhờ liên kết peptid -CO-NH-.

Các chất điển hình của xerebrozid là xerebron (hoặc frenozin), kerazin, nervon, oxynervon. Trong phân tử cerebron có acid cerebronic 81

ƠN

OF

FI

CI AL

CH3-(CH2)21-CHOH-COOH, trong phân tử kerazin có acid lignxeric CH3-(CH2)22-CHOH-COOH, trong phân tử nervon có acid nervonic chưa no CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)13-COOH, trong oxynervon có acid oxynervonic chưa no CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)12-CHOH -COOH. Trong não, người ta còn phát hiện thấy các cerebrozid có lưu huỳnh, trong đó có nhóm hydroxyl bậc nhất ở nguyên tử cacbon thứ sáu của galactose được liên kết ở dạng este với acid sulfuric:

Hình 1.38. Công thức cấu tạo sulphatid

NH

Khả năng chuyển hóa của lipid Sự ôi hóa:

QU

Y

Khi bảo quản lâu, dưới tác nhân của nhân tố: ánh sáng, không khí, nhiệt độ, nước, vi sinh vật,... lipid bị thay đổi trạng thái, màu sắc và có mùi vị khó chịu. Thường người ta gọi quá trình tổng hợp này là sự ôi hóa. Thực chất của quá trình ôi hóa là quá trình oxy hóa. Tuy vậy, nếu dựa vào cơ chế phản ứng thì có thể phân ra ôi hóa do thủy phân và ôi hóa do oxy hóa.

- Ôi hóa do phản ứng thủy phân:

KÈ

M

Phản ứng thủy phân lipid cũng có thể xảy ra, khi có enzyme cũng như không có enzyme xúc tác.

DẠ

Y

Trường hợp thứ nhất xảy ra trong pha “béo” và chỉ có nước hòa tan trong lipid (dầu, mỡ,...) mới tham gia phản ứng nghĩa là phản ứng tiến hành trong môi trường đồng thể. Trong lipid có mặt nước với một lượng đáng kể, nhưng ở nhiệt độ thường, thì vận tốc phản ứng rất bé. Vì ở nhiệt độ thường vận tốc phản ứng thủy phân rất chậm. Hơn nữa khả năng không hòa tan của pha nước trong pha “béo” cũng ngăn cản sự tiếp xúc cần thiết giữa chúng.

82

CI AL

Trường hợp thủy phân do enzyme xúc tác thường xảy ra ở trên bề mặt tiếp xúc giữa lipid và nước. Enzyme lipase xúc tác phản ứng thủy phân có thể có trong nguyên liệu cũng như do vi sinh vật mang vào.

NH

ƠN

OF

FI

Chúng ta đều biết lipase là một globulin. Nó xúc tác không những phản ứng thủy phân mà cả phản ứng tổng hợp nữa. Do đó cân bằng phản ứng phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể mà có thể chuyển dịch về phải cũng như về trái. Theo Cretovich khi hàm lượng ẩm cao thì sự thủy phân ưu thế hơn sự tổng hợp. Ngược lại, trong hạt khô thì sự tổng hợp lại ưu thế hơn. Lipase có nhiều trong hạt thầu dầu. Tác dụng tối ưu của lipase của hạt là ở 35 – 38oC. Hoạt độ của nó giảm xuống một cách đáng kể khi chế biến thủy nhiệt các hạt cũng như khi ép nóng các hạt có dầu. Phản ứng lipolizo sẽ tăng mạnh khi hạt bị nghiền cơ học hoặc bị tổn thương do côn trùng. Lipase có đặc hiệu thấp so với cấu trúc của lipid nhưng lại có đặc hiệu quang học cao đối với những cơ chất có hoạt quang. Nói chung đối với những cơ chất không mang điện tích thì độ dài mạch cacbon của acid béo tham gia trong lipid có ý nghĩa lớn với hoạt độ của lipase.

Trường hợp đơn giản nhất của sự ôi hóa do phản ứng thủy phân thường thấy là khi bảo quản bơ và margarin. Khi đó sẽ giải phóng ra acid butiric là acid có mùi rất khó chịu.

KÈ

M

QU

Y

Trong chế biến lương thực, để bảo quản được hạt, bột và tấm, vai trò quyết định là nhiệt độ và thủy phân. Chẳng hạn bột khi ở nhiệt độ dưới 50C vẫn bảo quản được tốt ngay cả khi có hàm ẩm cao. Người ta nhận thấy rằng khi bảo quản bột có hàm ẩm cao hơn 15% thì phản ứng thủy phân chủ yếu là do enzyme của nấm mốc. Khi đó độ acid chung sẽ tăng lên do tích tụ các acid hữu cơ hòa tan và bột sẽ có mùi vị khó chịu. Người ta còn nhận thấy đối với bột khô, nấm mốc không phát triển được, độ acid cũng tăng nhưng không có mùi vị acid, vì chủ yếu là tạo ra những acid béo không hòa tan trong nước.

- Ôi hóa do phản ứng oxy hóa – khử:

DẠ

Y

Ôi hóa theo kiểu này là phổ biến nhất trong bảo quản các lipid.

Thường người ta phân biệt hai loại: ôi hóa hóa học và ôi hóa sinh học. Ôi hóa hóa học là quá trình tự oxy hóa. Khi đó xảy ra sự tấn công các gốc acid béo tự do cũng như kết hợp bởi oxy phân tử. Áp suất của oxy và 83

ƠN

OF

FI

CI AL

lượng nối đôi trong phân tử acid béo có ảnh hưởng đến tiến trình phản ứng.

Sản phẩm đầu tiên là hydro peroxyt. Từ đó tạo nên aldehid no và không no, ceton, acid mono và dicacbonxylic, aldeacid, cetoacid, epocid,... Ngoài ra còn có thể trùng hợp hóa các sản phẩm oxy hóa nữa:

Hình 1.39. Các sản phẩm của sự ôi hóa hóa học

NH

Đa số những chất này có vai trò quyết định trong phát triển mùi vị.

QU

Y

Ôi hóa sinh học lại bao gồm sự ôi hóa do enzyme lipoxygenase và sự ôi hóa ceton. Kiểu ôi hóa thứ hai này thường đặc trưng đối với lipid có chứa acid béo no với phân tử lượng trung bình và thấp, khi có hàm ẩm đáng kể. Khi đó acid béo bị b – oxy hóa và decacboxyl hóa, kết quả sẽ là tích tụ các alkylmetyl ceton có mùi khó chịu.

M

Khi lipid bị ôi hóa, thường bị mất hoạt tính vitamin. Vì khi đó các acid béo không no cao phân tử cũng như các vitamin đều bị phá hủy bởi các sản phẩm oxy hóa tích tụ trong lipid.

KÈ

Các sản phẩm oxy hóa của lipid thường làm vô hoạt enzyme và đặc biệt làm giảm hoạt độ của suxioxydaza, xitocromoxydaza và colinoxydaza.

Y

Sản phẩm oxy hóa còn có khả năng phản ứng cao với protein. Hợp chất tạo thành này bền vững, không hòa tan trong nước cũng như trong dung môi hữu cơ và cũng không bị phân ly bởi enzyme.

DẠ

 Cơ chế của quá trình ôi hóa hóa học:

Chúng ta đều biết, trong mạch hydrocacbon của acid béo không no thì có khả năng phản ứng cao hơn cả là nguyên tử hydro ở cacbon a so với

84

CI AL

nối kép. Vì Ca này được quyết định bởi hiệu ứng liên hợp tĩnh của nối đơn và nối kép. Điều đó có nghĩa là nguyên tử hydro ở nhóm metylen nằm giữa hoặc bên cạnh nối đôi có khả năng phản ứng rất cao. Ở nhóm b – metylen hiện tượng đó bé hơn do sự yếu nhanh đi của hiệu ứng cảm ứng theo mạch cacbon. Thông thường đến mắt xích thứ tư của mạch cacbon thì hiệu ứng cảm ứng này hầu như không còn.

OF

FI

Cùng với việc đứt nguyên tử hydro khỏi Ca­ so với nối kép, sẽ tạo thành hệ thống liên hợp từ electron p của nối đôi và electron p độc thân ở vị trí hóa trị tự do:

ƠN

Do sự liên hợp đó, H không những ở vị trí 3 mà ở vị trí 1 cũng rất hoạt động. Kết quả là phản ứng có thể xảy ra với xác suất bằng nhau ở vị trí 1 và 3.

NH

Quá trình ôi hóa hóa học là phản ứng chuỗi nên thường có ba thời kỳ sau.

Phát sinh:

Y

Đầu tiên, phản ứng được khơi mào bằng việc một vài phân tử lipid (RH) bị oxy hóa để tạo thành gốc tự do:

QU

hv RH  → R• + ( H • )

(1)

R • : Gốc của acid béo no hoặc không no tự do hoặc gốc của acid béo trong phân tử glixerid;

KÈ

M

H • : Nguyên tử H ở Ca so với nối đôi, hoặc nguyên tử H của nhóm metylen bất kỳ trong acid béo no.

Để tạo thành gốc, nghĩa là để đứt liên kết C-H trong phản ứng trên đòi hỏi năng lượng là 70 – 100 kcal/mol.

DẠ

Y

Tuy nhiên khi có oxy hòa tan thì tương tác giữa RH ban đầu với oxy sẽ xảy ra một cách mạnh mẽ hơn. Vì sự tạo thành gốc theo phản ứng lưỡng phân sau đòi hỏi năng lượng chỉ là 47 kcal/mol:

RH + O2 → R • + HO2•

(2) 85

Trường hợp khi nồng độ RH cao có thể xảy ra phản ứng tam phân:

RH + O2 + HR1 → R • + H 2O2 + R1•

CI AL

(3)

Phản ứng này đòi hỏi năng lượng còn bé hơn phản ứng lưỡng phân.

Gốc tự do cũng có thể phát sinh khi có ion kim loại giao chuyển:

M 3+ + RH → M 2+ + R • + H •

(4)

FI

M 2+ + ROOH → M 3+ + RO • + OH • Phát triển:

(5)

OF

Gốc tự do R • hoặc RO • được tạo thành do quá trình khơi mào sẽ bắt đầu chuỗi chuyển hóa oxy hóa:

RO2• + RH → ROOH + R •

ƠN

R • + O2 → RO2•

(6) (7)

NH

Phản ứng (6) đặc biệt nhanh, thực tế không cần năng lượng hoạt hóa.

Còn năng lượng hoạt hóa của phản ứng (7) là 4 – 12 kcal/mol. Từ đây ta thấy gốc RO2• là gốc chủ đạo trong mạch oxy hóa. Và phản ứng có ý nghĩa quyết định vận tốc phát triển của quá trình tự oxy hóa là phản ứng tương tác giữa gốc RO2• với phân tử lipid (phản ứng 7).

QU

Y

Từ hydro peroxyt sẽ phân mạch để cho những gốc tự do khác theo đường hướng sau:

ROOH → RO • + •OH

2ROOH → RO2• + H 2O + RO •

Hoặc:

ROOH + RH → RO • + H 2O + R •

(9) (10)

M

Hoặc:

(8)

KÈ

Việc đứt liên kết O-O để tạo thành hai gốc tự do theo phản ứng (8) đòi hỏi năng lượng hoạt hóa 30 – 35 kcal/mol.

DẠ

Y

Sự liên hợp các hydro peroxyt thành dime (theo phản ứng 9) sẽ thuận lợi khi nồng độ hydro peroxyt lớn. Việc tạo nên dime (do liên kết hydro) sẽ làm yếu liên kết O-H và O-O, do đó làm giảm bớt năng lượng phân giải dime thành các gốc. Hydro peroxyt có thể phân giải theo phản ứng (10) đòi hỏi năng lượng hoạt hóa bé hơn phản ứng đơn phân (8).

Cần chú ý rằng gốc peroxyt có xu hướng phản ứng với sản

86

CI AL

phẩm đã bị oxy hóa hơn là với phân tử chưa bị oxy hóa do chỗ trong sản phẩm đã bị oxy hóa thường chứa các liên kết C-H có khả năng phản ứng hơn.

FI

Gốc peroxyt cũng có thể đứt nguyên tử H, đặc biệt là ở vị trí b do quá trình nội phân và cũng có thể kết hợp với nối đôi olefin. Vì vậy việc chuyển hóa các gốc peroxyt sẽ đưa tới tạo nên không những hydro peroxyt mà cả peroxyt polyme, peroxyt vòng, oxyt, aldehit và các sản phẩm khác.

OF

Do quá trình phát triển của chuỗi phản ứng oxy hóa với các phản ứng phân mạch (8), (9), (10) nên tích tụ gốc alcocxyl RO • , peroxyt RO2• và hydroxyl •OH .

ƠN

Từ gốc alcacxyl có thể tạo nên những sản phẩm thứ cấp như rượu, ceton, aldehid,...: •

NH

RO • + R ' H → ROH + R '

Tương tác của hai gốc alcacxyl:

R - CH ( O • ) - R + R 'O • → R - CO - R + R 'OH Tương tác của gốc alcocxyl với gốc alkyl:

QU

Y

R - CH ( O • ) - R + R '• → R - CO - R + R ' H Hoặc:

R - CH ( O • ) - R → R • + RCHO

Hoặc từ hydro peroxyt và gốc alkyl cũng tạo ra ceton:

M

R • + R ' - CH ( OOH ) - R '' → R ' - C • ( OOH ) - R '' + RH

KÈ

R ' - C • ( OOH ) - R '' → R ' - CO - R '' + •OH

Aldehid cũng có thể được tạo thành từ ceton bằng cách oxy hóa chúng đến a – cetohydroperoxyt rồi đến aldehid và acid:

DẠ

Y

R1 - CO - CH 2 - R2 → R1 - CO - CH ( OH ) - R2 → R1COOH + R2CHO

Ngoài ra, trong lipid bị oxy hóa còn có thể tạo thành các sản phẩm trùng hợp cao phân tử: 87

CI AL FI OF

Hoặc:

ƠN

R • + R1CH = CHR2 → R - CH ( R1 ) - •CH - R2

R - CH ( R1 ) - •CH - R2 + R1CH =CHR2 → R - CH ( R1 ) - CH ( R2 ) - CH ( R1 ) - •CH - R2

NH

R - CH ( R1 ) - CH ( R2 ) - CH ( R1 ) - •CH - R2 + R1CH = CHR2

→ R - CH ( R1 ) - CH ( R2 ) - CH ( R1 ) - CH ( R2 ) - CH ( R1 ) - •CH - R2 Kết thúc:

M

QU

Y

Việc đứt mạch, nghĩa là mất các gốc tự do xảy ra chủ yếu do kết quả tương tác của các gốc theo cơ chế lưỡng phân:

KÈ

Năng lượng hoạt hóa của các phản ứng này rất không đáng kể (1 – 2 kcal/mol) do đó vận tốc phản ứng rất lớn.  Cơ chế của quá trình ôi hóa sinh học:

Y

Ôi hóa do enzyme lipoxydase:

DẠ

Trong quá trình khai thác cũng như bảo quản, lipid và đặc biệt là dầu mỡ, có thể bị oxy hóa dưới tác dụng của enzyme lipoxydase để tạo thành những sản phẩm khác nhau.

88

CI AL FI OF

ƠN

Hình 1.40. Sự ôi hóa do enzyme lipoxygenase

QU

Y

NH

Lipoxydase hay lipoxygenase là enzyme oxy hóa khử, thường có tên gọi hệ thống là linoleat: O2 -oxydoreductase (1.13.1.13). Enzyme lipoxygenase xúc tác sự oxy hóa các acid béo không no chứa 2 – 3 nối kép (hoặc nhiều hơn) như acid linoleic, linolenic, acid arachidic. Điểm đặc biệt là lipoxygenase chỉ oxy hóa dạng cis – cis còn dạng cis – trans hoặc trans – trans thì hoàn toàn không có tác dụng. Cả ba acid này đều bị oxy hóa với vận tốc như nhau. Điểm khác là các hydro peroxyt được tạo thành ở đây có hình thể cis – trans và có hoạt động quang học. Cơ chế tác dụng của lipoxygenase như sau:

KÈ

M

Tappel và Boyer cho rằng mỗi một phân tử linoleat đều bị oxy hóa trực tiếp dưới tác dụng của enzyme tạo thành phức liên hợp giữa linoleat, oxy và lipogenase. Tiếp đó, gốc kép được tạo thành do kết quả của sự chuyển hydro từ linoleat tới oxy. Một nối đôi bị chuyển chỗ để tạo nên một hệ thống nối đôi luân hợp. Phức hợp bị phân ly giải phóng ra enzyme lipoxydase và hydro peroxyt có dạng cis – trans. Từ hydro peroxyt sẽ chuyển hóa một cách bình thường để tạo ra epoxyt, aldehid, ceton và những sản phẩm oxy hóa khác.

DẠ

Y

Nhiều hợp chất hữu cơ là những chất kìm hãm của lipoxygenase.

Propylgalat, diphenylamin và oxyquinolin là những chất kìm hãm lipoxygenase. Tác dụng kìm hãm của những chất này là ở chỗ làm giảm vận tốc oxy hóa linoleat và hấp thụ oxy. Lipoxygenase có nhiều trong hạt 89

CI AL

đậu tương và trong hạt hòa thảo. pH tối ưu của lipoxygenase của đậu tương là 9 và của các cây khác là 7. Lipoxygenase của động vật có pH tối ưu từ 4 – 7. Ôi hóa ceton:

OF

FI

Ôi hóa ceton thường đặc trưng đối với lipid có chứa acid béo no, phân tử lượng trung bình và thấp. Chẳng hạn, trong bảo quản bơ và margarin khi bị nhiễm nấm mốc (Aspergillus, Penicillium) thường xảy ra kiểu ôi hóa này. Dưới tác dụng của các enzyme vi sinh vật, acid béo bị b – oxy hóa và decacboxyl hóa mà kết quả là tạo ra các alkylmetylceton có mùi khó chịu.

Sơ đồ phản ứng như sau:

ƠN

R - CH 2 - CH 2 - COOH → R - CO - CH 2 - COOH Hình 1.41. Phản ứng ôi hóa ceton

NH

e. Ví dụ quy trình lên men sản xuất sản phẩm trao đổi chất bậc 1 Sau đây là một ví dụ về quy trình sản xuất một sản phẩm trao đổi chất bậc 1 – quy trình sản xuất acid amin Lysine.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

Lysine là thành phần của nhiều loại protein, là yếu tố quan trọng duy trì hệ miễn dịch, kích thích tiết dịch vị. Lysine tinh khiết được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại thực phẩm để bổ sung nguồn lysine thiếu hụt cho con người. Ngày nay, hàng loạt các loại thực phẩm được bổ sung lysine như bột dinh dưỡng, cháo dinh dưỡng, các loại nước uống, sữa,… Lysine giúp trẻ ăn ngon, gia tăng chuyển hóa, hấp thu tối đa các chất dinh dưỡng nên thường được bổ sung vào các loại thuốc hoặc siro cho trẻ. Ngoài ra lysine còn có chức năng ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh mụn rộp nên thường được ứng dụng hỗ trợ điều trị các bệnh liên quan đến mụn rộp (herpes) và sử dụng kích thích cơ thể sản sinh hoormon tăng trưởng giúp trẻ phát triển bình thường. Lysine còn được bổ sung vào thuốc giúp cân bằng nội tiết cho phụ nữ đặc biệt là phụ nữ tiền mãn kinh. Nó tham gia vào thành phần các mỹ phẩm làm đẹp da giúp duy trì độ ẩm tự nhiên, làm chậm xuất hiện nếp nhăn, làm mờ nếp nhăn, cải thiện sẹo thâm, sẹo lõm, hạn chế sự xuất hiện các sắc tố trên da,...

90

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

Quy trình gồm các bước chính:

Hình 1.42. Quy trình công nghệ sản xuất Lysine 91

OF

FI

CI AL

Xử lý nguyên liệu: Rỉ đường là nguồn nguyên liệu phổ biến, rẻ riền có thể sử dụng làm nguồn nguyên liệu trong sản xuất lysine. Sử dụng các loại muối chứa NH4+ hay NH3 hoặc ure làm nguồn cung cấp nitơ. Sử dụng các loại muối phospho với nồng độ phospho thích hợp khoảng 0,008 – 0,02 mg/l làm nguồn cung cấp muối khoáng. Ngoài ra còn bổ sung một số muối khác và các chất kích thích sinh trưởng như biotin, vitamin B1,...

Trong quá trình tổng hợp lysine cần biotin để kích thích vi khuẩn sinh trưởng và tích lũy lysine. Lượng biotin thích hợp là 15 – 20 µg/l, nếu nồng độ giảm xuống 1 - 4 µg/l thì VSV tổng hợp acid glutamic, nếu tăng đến 25 µg/l thì tạo thành nhiều acid lactic.

Lên men

ƠN

Thời gian lên men 60 - 72 giờ, tốc độ khuấy 200 v/p, nhiệt độ 300C – 320C, tỉ lệ tiếp giống 5%, pH tối thích 7,0 – 7,6, thể tích thùng lên men 50 - 100m3, hệ số sử dụng 0,65 – 0,75.

NH

Tách và thu sản phẩm

QU

Y

Sau khi lên men nồng độ chất khô trong dung dịch lên men khoảng 10 – 13%. Dung dịch này rất dễ bị hỏng do quá trình tự phân của vi khuẩn và bị các vi sinhh vật khác xâm nhiễm. Vì vậy phải đem dịch lên men đi xử lý ngay, tùy theo yêu cầu sử dụng người ta sẽ sản xuất ra các chế phẩm lysine khác nhau.

M

- Lysine đặc: Bơm dịch lên men vào nồi cô đặc chân không tiến hành cô đặc dịch lên men có cả tế bào cho đến khi nồng độ chất khô trong dịch đạt 35 - 40% (dạng sệt). Sản phẩm có màu đen, có mùi thơm đặc trưng, bảo quản được 3 - 4 tháng. Thành phần: lysine 15 - 20%, protein 15 - 17%, betain 10 - 13%, tro 20 - 25% và các thành phần dinh dưỡng khác.

KÈ

- Lysine bột: cần cô đặc dịch lên men có cả tế bào sau đó sấy phun bằng khí nóng 2500C tạo sản phẩm dạng bột. Sản phẩm này có: lysine 15 20%, protein 15 - 17%, acid amin khác 14%, sản phẩm dễ hút ẩm.

DẠ

Y

- Lysine có chất phụ gia: Có thể sử dụng chất phụ gia là cám mì hoặc cám gạo với mục đích làm giảm hao hụt trong quá trình sấy và giảm khả năng hút ẩm của sản phẩm. Sau khi cô đặc đến độ ẩm 40%, trộn thêm chất phụ gia để có độ ẩm 30%, tạo hạt rồi sấy trong không

92

CI AL

khí nóng ở 110 - 1200C, vận tốc 6 - 7 m/s, sau khi sấy làm nguội đến 400C trong 3 phút sau đó nghiền tạo sản phẩm bột. Hàm lượng lysine đạt 7 - 10%.

NH

ƠN

OF

FI

- Lysine tinh khiết: thường sử dụng phương pháp trao đổi ion với các hạt nhựa dạng cationit. Dịch lên men sau khi ly tâm 16.000 v/p để loại tế bào VSV và các thành phần không tan. Acid hóa toàn bộ khối dịch bằng HCl hoặc H2SO4 sau đó cho qua cột trao đổi ion. Lysine được giữ lại trên cột và được tách ra bằng phản ứng rửa giải bằng dung dịch hydroxit amon. Dịch sau rửa giải chứa 80 - 90% lysine được đun ở 800C để đuổi NH3. Dùng HCl điều chỉnh pH về 4,5 – 5,0 rồi cô đặc ở 600C, nồng độ lysine đạt 30 - 50%. Dưới tác dụng của HCl lysine chuyển sang dạng monochlohydrat lysine. Tiến hành làm lạnh đến nhiệt độ 10 - 120C khi đó xuất hiện những tinh thể màu vàng nhạt chính là lysine.HCl kết tinh. Ly tâm thu tinh thể, các tinh thể này được rửa sạch bằng ethanol và đem sấy đến khi độ ẩm đạt 0.5 - 1% bằng không khí nóng ở 1200C không quá 80 giây hoặc 1000C không quá 100 giây. Đặc điểm của sản phẩm tinh khiết là: 97% lysine.HCl, độ ẩm nhỏ hơn 0,5%, khối lượng riêng 525 - 650 g/l và độ hòa tan 642 g/l.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

Nguồn lysine chủ yếu được thu nhận bằng công nghệ nuôi cấy vi sinh vật. Chủng Corynebacterium glutamicum là chủng hay sử dụng trong sản xuất lysine. Corynebacterium glutamicum có tế bào hình cầu, ovan hay trực khuẩn ngắn, hiếu khí, gram dương, không chuyển động và không sinh bào tử, cần biotin để sinh trưởng và phát triển. Thông thường, đây là những chủng tổng hợp acid glutamic đã được đột biến hay những chủng khuyết dưỡng homoserine, methionine-threonine.

Những chủng vi khuẩn này có khả năng phát triển tốt trong môi trường chứa nhiều cacbon và ít nitơ. Trong môi trường này, nó phá vỡ sự cân bằng trao đổi chất là nguyên nhân dẫn đến sự hình thành acid amin với số lượng lớn, vượt xa so với nhu cầu nội tại của tế bào và tích lũy ở tế bào hay thoát ra ngoài môi trường. Hiện tượng này được gọi là siêu tổng hợp acid amin của VSV. 1.3.2.3. Các chất trao đổi bậc 2

“Các chất trao đổi bậc 2” là những hợp chất có trọng lượng phân 93

OF

FI

CI AL

tử thấp, không gặp ở mọi cơ thể. Chúng chỉ có ở một số nhóm vi sinh vật nhất định. Chúng không có chức năng chung trong trao đổi chất của tế bào, nhưng có ý nghĩa với sự sinh trưởng của các cơ thể sản sinh ra chúng. Rất có thể chúng có một chức năng nào đó đối với việc duy trì loài trong điều kiện sinh thái nhất định. Các chất kháng sinh là tiêu biểu cho những hợp chất này. Một số nấm gây bệnh sinh ra các chất kích thích sinh trưởng hoặc kìm hãm hay gây độc đối với cây chủ. Đó cũng là những chất trao đổi bậc 2. Các chủng tồn tại trong tự nhiên thường chỉ tổng hợp ra ít chất trao đổi bậc 2 tích tụ trong tế bào hoặc tiết ra ngoài. Trong sản xuất lên men công nghiệp, người ta chỉ có thể làm cho chủng vi sinh vật có đặc tính “siêu tổng hợp” nhờ những điều kiện nuôi cấy đặc biệt và những thể đột biến.

ƠN

Các chất trao đổi bậc 2 bao gồm các chất kháng sinh, các alkaloid, các chất kích thích hoặc kìm hãm sinh trưởng (gibberellin, abscisic acid...), các độc tố từ vi sinh vật,...

NH

Nếu dựa vào thành phần cấu tạo có thể phân chia các chất bậc 2 thành 6 nhóm: - Các acid hữu cơ;

QU

- Alkaloid;

Y

- Isoprenoid; - Nhóm sắc tố flavonoid; - Glycosid;

M

- Các chất điều hòa sinh trưởng ở thực vật. a. Acid hữu cơ

KÈ

Các acid hữu cơ (một chức, hai chức, ba chức) gặp rất phổ biến ở nhiều loại thực vật. Chúng tạo ra vị chua. Ester của chúng tạo mùi đặc trưng của các loại quả.

DẠ

Y

Acid hữu cơ là sản phẩm trung gian của các quá trình oxy hóa glucid, lipid và amino acid và là nguồn nguyên liệu để tổng hợp nhiều chất khác nhau, bởi vậy chúng có vai trò là “chất ngã ba đường” nối liền sự chuyển hóa của glucid, lipid và amino acid.

94

Bảng 1.2. Các acid hữu cơ aliphatic thường gặp trong thực vật

H - COOH

Táo, dạng ester

Sử dụng Các loại quả Trong công và nước quả nghiệp

CH 3 - COOH

Propionic Lactic

CH 3 - CH 2 - COOH

ƠN

CH 3 - CHOH - COOH

Pyruvic

CH 3 - CO - COOH

CH 3 - CH 2 - CH 2 - COOH

Isovaleric

( CH 3 )2 - CH - CH 2 - COOH

HOOC - CH 2 - COOH

Lá cây họ đậu, chanh

Y

HOOC - COOH

Ở dạng muối trong tế bào thực vật

M

QU

Oxalic

HOOC - CH 2 - CH 2 - COOH

KÈ

Succinic Fumaric

DẠ

Y

Malic

Oxaloacetic

Có hoạt tính sinh học cao

NH

n – Butyric

Malonic

Công dụng

CI AL

Acetic

Nguồn

FI

Formic

Cấu tạo

OF

Tên

Các loại hoa, táo, mận

Có tính độc

Có hoạt tính sinh lý cao

HOOC - CH = CH - COOH

HOOC - CHOH - CH - COOH

Quả táo, lê, mơ

HOOC - CO - CH 2 - COOH 95

HOOC - CHOH - CHOH - COOH

Nho

Citric

Cam chanh, HOOC - CH 2 - C ( OH ) (COOH ) - CH 2 - COOH dạng muối

Isocitric

HOOC - CH 2 - CH (COOH ) - CHOH - COOH

CI AL

Tartric

Trong thuốc lá

FI

Tính chất:

OF

- Acid mạch dài: kém bay hơi; - Acid mạch ngắn: dễ bay hơi;

ƠN

- Một số acid chứa nhân thơm như acid galic → acid shikimic, chiết xuất từ hoa cây hồi, làm nguyên liệu tổng hợp tamiflu.

Ngoài tạo vị chua, các acid hữu cơ ở dạng ester tạo mùi đặc trưng của quả.

NH

Bảng 1.3. Ester của một số acid hữu cơ quy định mùi của quả Ester

Y

Amylacetate

Mùi của quả

Methyl butyrate Isoamyl butyrate

QU

Octil acetate

M

Ester của rượu isoamilic với acid isovaleric

Chuối Cam Đào Lê Táo

KÈ

Ứng dụng:

- Lên men vi sinh vật để tạo acid.

Y

- Kết hợp vị chua và ngọt để tăng ngon miệng.

DẠ

- Điều chỉnh pH để bảo quản sản phẩm (giảm pH); tăng hiệu quả của vị hương.

- Chỉ thị mức độ pha loãng sản phẩm chứa acid citric và isocitric.

96

CI AL

- Acid citric còn giúp tạo gel pectin, giảm kết tinh đường, tạo phức với ion kim loại hóa trị 2,3 để làm chậm quá trình oxy hóa các acid béo chứa nối đôi. b. Isoprenoid

OF

FI

Là các chất dẫn xuất từ isoprene (C5H8):

Hình 1.43. Cấu tạo của Isoprene Các hợp chất isoprenoid:

ƠN

- Terpen (tinh dầu).

- Là các chất trùng phân isoprene. Phổ biến là monoterpen C10H16.

- Terpen mạch vòng.

NH

- Terpen mạch thẳng.

Y

Tinh dầu là hỗn hợp của nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau mà thành phần chủ yếu là terpen và các sản phẩm oxy hóa của chúng và phải có nồng độ nhất định để cảm nhận được.

QU

Tinh dầu dễ bay hơi (nhận biết qua khứu giác), không tan trong nước nhưng bị lôi cuốn theo nước khi chưng cất.

KÈ

M

Đại diện của loại terpen mạch thẳng (loại này thường có 3 nối đôi) là myrcene và oxymen:

DẠ

Y

Myrcene CH= C (CH 3 ) - CH 2 - CH 2 - CH = C ( CH 3 ) - CH = CH 2 2 Oxymen Hình 1.44. Cấu tạo phân tử Myrcene và Oxymen 97

OF

FI

CI AL

Monoterpen đơn vòng phổ biến và quan trọng nhất là limonene và dẫn xuất chứa oxygen của nó là menton và campho:

Hình 1.45. Cấu tạo phân tử limonene và các dẫn xuất của nó

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

Carotenoid (C40H56)

98

CI AL FI OF

Cao su (cis – polyisoprene):

ƠN

Hình 1.46. Cấu tạo hóa học của lycopene, vitamin A và các dạng α, β, γ-carotene

NH

Khoảng 2000 loài thực vật có khả năng tổng hợp cao su, trong đó chỉ có 500 loài tổng hợp lượng đáng kể. Cao su chứa 500 – 5000 đơn vị isoprene.

Một chất trùng phân khác là gutta – peccha (chất đồng phân trans hoàn toàn của cao su), chứa khoảng 100 gốc isoprenen, là chất cách điện quan trọng.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

Có mối quan hệ mật thiết giữa isoprene, các hợp chất terpen, các carotenoid và cao su. Tất cả các hợp chất này đều được tổng hợp từ nguyên liệu acetyl – CoA. Tùy thuộc vào tuổi cây và điều kiện canh tác, trong một thời điểm nào đó, cây sẽ tích lũy hoặc tinh dầu, hoặc cao su nhiều hơn.

Hình 1.47. Cấu tạo dạng cis (trên) và trans (dưới) của polyisoprene 99

c. Alkaloid

FI

CI AL

Bắt nguồn từ tiếng Ả Rập, algali nghĩa là kiềm. Đây là những chất dị vòng chứa N, tính kiềm, có tác dụng sinh lý mạnh. Các loại cây chứa alkaloid có ý nghĩa kinh tế rất lớn như trà, cafe, thuốc lá,...Một số loại sử dụng chữa bệnh tim, bệnh đường ruột, thần kinh và các bệnh khác ở người và động vật. Dùng liều cao có hại cho sức khỏe. Một số loài rất độc với người và động vật, được sử dụng làm thuốc trừ sâu.

OF

Trong miễn dịch học thực vật, alkaloid là một trong những nhóm chất có vai trò trong các phản ứng tự vệ, chống sự xâm nhiễm, lây lan, phá hoại của các loài vật gây hại khác nhau ở thực vật.

Các loại alkaloid điển hình:

QU

Y

NH

ƠN

- Rixinin (thầu dầu): Dẫn xuất của pyridine, có trong tất cả các bộ phận cây thầu dầu, có chứa nhóm CN nên rất độc. Bã khô dầu thầu dầu không thể sử dụng làm thức ăn gia súc.

Hình 1.48. Cấu tạo phân tử Rixinin

DẠ

Y

KÈ

M

- Piperin (ớt): Cũng là dẫn xuất của pyridine, không độc, gây cảm giác cay ở ớt.

100

Hình 1.49. Cấu tạo phân tử Piperin

FI

CI AL

- Nicotine (thuốc lá): Cấu tạo từ vòng pyridine và pyrolidine, có trong cây thuốc lá. Tác dụng mạnh trên hệ thần kinh trung ương và thần kinh ngoại vi, gây co mạch máu làm tăng huyết áp. Liều gây chết 0,01 – 0,04 g. Chỉ sử dụng làm thuốc trị bệnh ngoài da cho gia súc, thuốc trừ sâu.

Hình 1.50. Cấu tạo phân tử Nicotin

OF

- Atropine (alkaloid tổng hợp): Là một trong những alkaloid quan trọng, tác dụng lên hệ thần kinh. Sử dụng làm giãn con ngươi, giải độc khi ngộ độc nicotine, liều điều trị: 0,001 – 0,003 g. Liều cao hơn sẽ độc.

ƠN

- Cocain (coca): Cấu tạo gần giống atropin, có trong cây coca ở Nam Mỹ, hiện được trồng ở nhiều nước, hàm lượng trong lá đạt 1 – 2%.

NH

Cocain làm tê liệt đầu mút dây thần kinh cảm giác, được dùng làm chất gây tê bộ phận. Tác dụng lên hệ thần kinh trung ương, là chất gây nghiện. Liều độc 0,2 g.

M

QU

Y

- Caffeine (trà, cafe, cacao): Có trong cây cafe, chè, cây ca cao và một số cây khác. Kích thích hệ thần kinh trung ương và hoạt động của tim, ngoài ra còn có tác dụng thông tiểu.

DẠ

Y

KÈ

Hình 1.51. Công thức cấu tạo phân tử caffeine d. Nhóm sắc tố flavonoid

Hình 1.52. Cấu tạo flavonoid có dạng C6-C3-C6 101

CI AL

Là các hợp chất có dạng C6-C3-C6. Chúng quy định màu sắc của hoa, lá, quả, thân,... làm cho chúng có sắc vàng, đỏ, xanh,... khác nhau.

Khác với nhóm carotenoid vốn có màu đỏ, vàng và không tan trong nước, các glucosid của flavonoid đều tan trong nước. * Flavonoid - Anthocyanin: cho màu đỏ, xanh, tím; - Anthoxanthin và flavone: cho màu vàng;

FI

Là dẫn xuất của flavan, flavonoid bao gồm ba nhóm chính.

OF

- Tanin thực phẩm: gồm catechin và leucoanthocyanin không màu.

Anthocyanin:

ƠN

Các hợp chất thuộc nhóm này đều là những sắc tố quan trọng của hoa quả, chúng làm hoa quả có màu xanh đỏ với nhiều sắc thái khác nhau. Các anthocyanin hiện diện trong thực vật ở dạng hợp chất glycosid với một hay hai phân tử đường đơn như glucose, galactose, rannose và có khi là pentose:

NH

Anthocyanin → Anthocyanidin (aglicon) → monose.

Có 3 loại anthocyanidin tìm thấy trong mô thực vật:

QU

Y

- Pelagonidin:

DẠ

Y

KÈ

M

Hình 1.53. Công thức phân tử Pelagonidin - Cyanidin (phổ biến nhất):

102

Hình 1.54. Công thức phân tử Cyanidin

OF

FI

CI AL

- Delphinidin:

Hình 1.55. Công thức phân tử Delphinidin

ƠN

Màu sắc các anthocyanin phụ thuộc vào pH, nhiệt độ và nhiều yếu tố khác. Ví dụ: Cyanin ở pH ≤ 3: màu đỏ, pH = 8,5: màu tím, pH = 11: màu xanh.

NH

Việc tăng nhóm OH trong phân tử anthocyanidin sẽ làm tăng cường độ màu xanh, còn khi tăng mức độ methyl hóa các nhóm OH ở vòng benzen càng cao thì màu càng đỏ.

Y

Anthoxanthin và Flavone:

QU

Là những sắc tố màu vàng, hòa tan trong dịch tế bào (cần phân biệt với sắc tố vàng cam của carotenoid hòa tan trong chất béo), thường ở dạng glycosid (liên kết với một hay hai phân tử monosaccharide).

M

Flavone cho nhiều dẫn xuất như: flavonol, flavanonol và isoflavone.

Một số flavone thường gặp:

KÈ

- Quercetin: trong vỏ củ hành, chanh, quýt, houblon.

- Apigenin là glycosid có trong cây ngò và thược dược.

Y

- Hesperitin là sắc tố của cam, chanh.

DẠ

Catechin và Leucoanthocyanin: - Catechin:

103

CI AL FI

Hình 1.56. Công thức cấu tạo phân tử Catechin

NH

ƠN

OF

- Leucoanthocyanin:

Hình 1.57. Công thức cấu tạo Leucoanthocyanin

QU

Y

Catechin là cấu tử của chất tanin thu được từ một số cây như bạch dương, thông, liễu và nhất là trong chồi non cây chè. Catechin còn có trong một số loại quả như lê, táo, mận, nho.

KÈ

M

Các tanin thiên nhiên đều là hỗn hợp của acid galic và acid digalic ở dạng tự do cũng như dạng kết hợp với glucose. Dưới tác dụng của tanin, protein bị đông vón, da nguyên sẽ biến thành da thuộc, chúng rất bền với nước và các vi khuẩn gây thối, cũng như có tính dẻo, đàn hồi. e. Glycosid

DẠ

Y

Là dẫn xuất của đường đơn liên kết với các chất khác không phải là đường (gọi là aglycon, có thể là rượu hay hợp chất thơm khác) qua nhóm OH-glycosid. Ba loại phổ biến: - Glucosid cyanogen: chứa gốc CN (độc), đây là những glycosid có vòng thơm và thủy phân cho HCN, rất độc vì gốc -CN ức chế các enzyme

104

CI AL

hô hấp. Có nhiều trong hạt táo, mận, đào, hạnh nhân. Chúng có vị cay và mùi khó chịu. Thí dụ chất amigladin:

FI

Hình 1.58. Công thức cấu tạo phân tử Amigladin

OF

- Glycosid mù tạt: là ester của acid isothiocyanic, có nhiều trong họ thực vật mù tạt, chúng ở trạng thái tự do hay kết hợp với glucid để tạo glycosid.

ƠN

Sinigrin là glycosid của dầu mù tạt được biết nhiều nhất. Dầu mù tạt có vị nồng, làm cay mắt, có thể làm bỏng da. Sirigrin bị thủy phân bởi mironase theo phản ứng:

miro sin ase CH= CH - CH 2 -= N C ( SC6 H12O5 )( OSO2OK ) + H 2O  → CH= CH - CH 2 2

NH

miro sin ase OK ) + H 2O  → CH = CH - CH 2 -= N = C S +C6 H12O6 + KHSO4 2

- Glycosid của alkaloid: Đây là những glycosid mà phần aglycon là alkaloid.

QU

Y

+ Saponin: không chứa N, độc, yếu tố tạo bọt. Saponin có phần aglycon là dẫn xuất của cyclopentanoperhydrophenantren (sapogenin), đặc biệt trong phân tử không chứa N. Saponin có khả năng phá hủy hồng cầu, trong y học được sử dụng dưới tên “glycosid tim”.

KÈ

M

+ Solanin: có nhiều trong mầm khoai tây, nhất là khi bảo quản khoai tây ngoài ánh sáng. Solanin thường có phần aglucon giống nhau, là dẫn xuất của phenantren, nhưng phần glucid thường khác nhau. f. Các chất điều hòa sinh trưởng ở thực vật

DẠ

Y

Ngày nay, người ta đã phát hiện ra hàng loạt các chất có tác dụng kích thích sinh trưởng đối với toàn cơ thể thực vật hoặc đối với từng bộ phận (ra hoa, nảy mầm, ra rễ,...).

Các chất điều hòa sinh trưởng ở thực vật thường gặp là: - Auxine (IAA): 105

Auxine tiếng Hy Lạp có nghĩa là sinh trưởng.

CI AL

Chất quan trọng nhất trong nhóm auxine là heteroaixine, là indol acetic (viết tắt IAA). Các vi sinh vật đường ruột cũng sản xuất IAA, nên người ta tìm thấy IAA trong nước tiểu.

Trong công nghiệp, người ta sử dụng IAA để kích thích hình thành rễ nhanh ở các chồi, các cành chiết như cam, chanh,...

OF

FI

IAA dễ dàng tham gia hình thành các hợp chất với protein, amino acid, đường và phenol. Những phức hợp này đều là dạng dự trữ của các hormone trong các bộ phận ngủ nghỉ và các bộ phận ít phát triển của cây.

+ NAA (naphtalen acetic acid)

NH

+ IBA (indol butyric acid)

ƠN

Ngày nay, người ta đã tổng hợp được hàng loạt chất nhóm auxine giống IAA như:

+ 1,4-D (dichlorophenoxy acetic acid) + 2,4,5-T (trichlorophenoxy acetic acid)

Y

+ 2,4-D: chất diệt cỏ.

QU

- Gibberelline (GA3):

Gibberelline là tên gọi chung của 62 chất hóa học tương tự nhau được ký hiệu từ GA1 đến GA62. Phổ biến nhất là GA3-Gibberellic acid.

KÈ

M

Gibberelline có tác dụng kéo dài tế bào, tăng phân bào, kích thích sự ra hoa của thực vật dài ngày, chúng có liên quan đến một protein cảm quang là phytochrome.

Y

Người ta sử dụng gibberelline làm tăng nhanh sự nảy mầm của yến mạch khi chế biến mạch nha, cũng như tạo nho không hạt và năng suất nho.

DẠ

- Cytokinine (Zeatin):

Là nhóm chất điều hòa sinh trưởng rất quan trọng, chúng được tìm thấy trong nước dừa, mầm ngô, hạt, dịch chiết từ rễ,...

106

Tác dụng của cytokinine:

CI AL

+ Thúc đẩy sự tăng trưởng và phân chia tế bào, liên quan đến sự tổng hợp protein trong tế bào.

+ Thúc đẩy sự phát triển chồi nách, giải phóng cây khỏi sự ức chế của chồi ngọn, ức chế sự tạo rễ.

FI

+ Ức chế sự lão hóa của mô, hoa cắt cành.

Một số cytokine phổ biến:

NH

ƠN

OF

+ Kinetin:

QU

Y

Hình 1.59. Công thức cấu tạo phân tử Kinetin

Hình 1.60. Công thức cấu tạo phân tử Zeatin

DẠ

Y

KÈ

M

+ Zeatin trong hạt bắp chưa chín:

+ 6-dimethylallyl amino purine: có mặt trong tDNA, đóng vai trò

là một base hiếm trong loại DNA này.

107

CI AL FI

OF

Hình 1.61. Công thức cấu tạo phân tử 6-dimethylallyl amino purin

Y

NH

ƠN

+ Diphenyl urea: chiết xuất từ nước dừa, kích thích rất mạnh sự phân chia tế bào thực vật.

QU

Hình 1.62. Công thức cấu tạo phân tử Diphenyl urea

M

+ Ethylen: Ethylen được xem là chất điều hòa sinh trưởng vì nó kích thích quả mau chín, khoai tây mau mọc mầm, dứa ra hoa trái vụ,...

Ethylen được tạo ra khi hạt đang nảy mầm, hoa đang nở, quả đang chín,...

KÈ

Ethylen thường được sử dụng để tăng năng suất mủ cao su, xử lý dứa ra hoa quanh năm và đồng loạt, xử lý quả chín sớm, chín đều, màu đẹp. g. Chất ức chế sinh trưởng (adscisic acid)

DẠ

Y

Ngoài các chất kích thích sinh trưởng, trong thực vật người ta còn phát hiện thấy một loại chất kìm hãm sự sinh trưởng và phát triển của chúng. Các chất này được gọi là chất kìm hãm sinh trưởng tự nhiên.

Khi thực vật bước vào trạng thái ngủ nghỉ đều có kèm theo sự tích

108

CI AL

lũy các chất ức chế sinh trưởng, được gọi tên chung là dormine (tiếng Anh “dormancy”).

Sự rụng lá ở thực vật được điều hòa bởi những chất gọi là abscisin.

Hai chất trên là một, đó là một isoprenoid, có tên là abscisic acid.

FI

Dormine giúp cây dự trữ chất dinh dưỡng, giúp chồi non tạm nghỉ vượt qua điều kiện khắc nghiệt của mùa đông.

ƠN

OF

Ứng dụng chất ức chế sinh trưởng vào bảo quản nông sản, gia tăng giá trị thương phẩm của nông sản. Thí dụ xử lý khoai tây với nồng độ dormine thích hợp sẽ ức chế sự nảy mầm khi bảo quản.

NH

Hình 1.63. Công thức cấu tạo của Abscisic acid h. Ví dụ quy trình lên men sản xuất sản phẩm trao đổi chất bậc 2

Y

Sau đây là quy trinh thu nhận một sản phẩm trao đổi chất bậc 2 – Quy trình thu nhận chất kích thích sinh trưởng thực vật – Gibberellin.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Như đã đề cập tại mục f, gibberellin là chất kích thích sinh trưởng được tổng hợp bởi vi sinh vật và cả ở thực vật bậc cao. Hiện nay người ta đã phát hiện ra 62 loại gibberellin và ký hiệu GA1, GA2, GA3,..., GA62.

Trong đó gibberellin GA3 là gibberellic acid có tác dụng sinh lý mạnh nhất. Gibberellin được tìm thấy ở nhiều nguồn khác nhau như ở các loại nấm, ở thực vật bậc thấp và thực vật bậc cao. Tuy nhiên, việc sản xuất gibberellin chủ yếu từ vi sinh vật.

Hình 1.64. Công thức hóa học của Gibberellin acid (GA3) 109

Vai trò của gibberellin:

CI AL

+ Kích thích mạnh mẽ sự sinh trưởng kéo dài của thân, chiều dài của cành, sự vươn dài của lóng cây họ hoà thảo. Hiệu quả này có được do ảnh hưởng kích thích đặc trưng của GA lên pha giãn của tế bào theo chiều dọc.

FI

+ Kích thích sự nảy mầm của hạt và củ, do đó nó có tác dụng đặc trưng trong việc phá bỏ trạng thái ngủ nghỉ của hạt và củ.

OF

+ Kích thích cây ngày dài ra hoa trong điều kiện ngày ngắn và làm tăng hiệu quả của xuân hóa, có thể biến cây hai năm thành cây một năm. + GA ảnh hưởng đến sự phân hóa giới tính: ức chế sự phát triển của hoa cái và kích thích sự phát triển của hoa đực.

ƠN

+ GA làm tăng kích thước của quả và tạo quả không hạt trong một số trường hợp. Hiệu quả này càng rõ rệt khi phối hợp tác dụng với auxin.

NH

Tác nhân vi sinh vật

Gibberellin được hai chủng nấm sợi Fusarium moniliforme và Fusarium oxysporum tổng hợp, trong đó Fusarium moniliforme được sử dụng trong sản xuất.

Y

Đặc điểm của chủng này như sau:

QU

+ Thuộc nấm bất toàn, sinh sản bằng bào tử. + Khả năng tạo kháng sinh, chất ức chế thực vật.

M

+ Khả năng đồng hóa các loại đường glucose, saccharose, tinh bột, glycerine, dầu thực vật; các nguồn nitrogen vô cơ, hữu cơ đều thích hợp.

KÈ

+ pH tối ưu cho sinh trưởng phát triển: 5,0 – 5,4; nhiệt độ 26 – 280C Quá trình lên men

DẠ

Y

* Phương pháp lên men bề mặt: Sử dụng môi trường cám có bổ sung 0,5 cao ngô, 0,01% hỗn hợp vi lượng, độ ẩm môi trường 55 – 60%. Môi trường được thanh trùng ở 1atm trong 30 phút. Làm nguội môi trường và cấy giống với tỷ lệ 0,3 – 0,5%, nhiệt độ nuôi 280C trong 3 – 4 ngày. Khi nấm Fusarium tạo nhiều bào tử, chúng được chuyển ra nuôi trong các khay với môi trường tương tự.

110

CI AL

Kết thúc quá trình nuôi, người ta thu nhận chế phẩm gibberelin dạng thô, đem trích ly bằng các dung môi và thu nhận dung dịch có chứa gibberellin.

OF

FI

* Phương pháp lên men chìm: Môi trường sử dụng là môi trường Rolen – Tom, các thành phần trong 1 lít môi trường như sau: saccharose 40 – 60g; tactarat ammon 7g; KH2PO4 2g; MgSO4.7H2O 0,2g; K2SO4 0,2g; pH 5,5. Trong khi lên men thường bổ sung 0,5 cao ngô và hỗn hợp vi lượng sẽ làm tăng khả năng sinh tổng hợp gibberellin. Môi trường được thanh trùng và tiến hành lên men trong các thiết bị lên men có cánh khuấy và hệ thống thổi khí. Nhiệt độ lên men 260C – 280C, pH duy trì 5,0 – 5,5, thời gian lên men 160 – 190 giờ. Quá trình lên men gồm hai pha:

ƠN

+ Pha thứ nhất là pha tạo ra hệ sợi hay pha tăng sinh, kéo dài 45 – 90 giờ đầu của quá trình lên men. Ở pha này, chất dinh dưỡng giảm rất nhanh, pH đột nhiên tăng lên sau đó trở về pH ban đầu. Cuối pha này lượng gibberellin được tạo ra rất ít.

NH

+ Pha thứ hai: hệ sợi không tăng, pH tăng nhanh, giberelin được tạo ra rất nhiều. Trong nhiều cơ sở sản xuất, người ta thường bổ sung nguồn carbon trong pha này.

QU

Y

Tùy thuộc vào đặc điểm sinh lý của chủng sản xuất mà hoạt động điều khiển quá trình lên men không giống nhau đặc biệt là thời gian lên men. Dịch sau khi lên men được ly tâm để tách sinh khối và những thành phần có kích thước lớn, không ra khỏi dung dịch. Dung dịch sau ly tâm đem đi làm sạch để thu nhận gibberellin.

M

1.3.2.4. Các enzyme

+ Enzyme ngoại bào: protease, amylase, cellulase, pectinase,...

KÈ

+ Enzyme nội bào: asparaginase, penicilinase, lipase,...

DẠ

Y

Tế bào vi sinh vật có khoảng trên 1000 enzyme khác nhau. Phần lớn các enzyme ở trong tế bào (enzyme nội bào) và khi cần thiết mới tiết enzyme ra ngoài tế bào (enzyme ngoại bào) để phân hủy những cơ chất tương ứng. Ví dụ amylase thủy phân tinh bột, pectinase phân hủy pectin,... vi sinh vật có khả năng sử dụng cơ chất khác nhau cho sinh trưởng và thích ứng với các điều kiện rất khác nhau. Sở dĩ như vậy là do tế bào chỉ 111

CI AL

tổng hợp một số enzyme trong những điều kiện cần thiết. Trong sản xuất enzyme cần điều khiển quá trình lên men, thực chất là điều khiển sự trao đổi chất của tế bào vi sinh vật sao cho enzyme tổng hợp được càng nhiều càng tốt. a. Bản chất hóa học của enzyme

OF

FI

Enzyme có tất cả các thuộc tính hóa học của các chất protein. Về hình dạng phân tử: đa số enzyme có dạng hình cầu (dạng hạt). Tỷ lệ giữa trục dài và trục ngắn của phân tử vào khoảng 1 - 2 hoặc 4 - 6. Về khối lượng phân tử: các enzyme có khối lượng phân tử lớn, thay đổi rất rộng từ 12000 dalton đến 1.000.000 dalton hoặc lớn hơn.

ƠN

Ví dụ: ribonuclease có khối lượng phân tử là 2700, glutamat dehydrogenase có khối lượng phân tử là 1.000.000. Đa số enzyme có khối lượng phân tử từ 20.000 đến 90.000 hoặc vài trăm nghìn.

QU

Y

NH

Do kích thước phân tử lớn, các enzyme không đi qua được màng bán thấm. Enzyme tan trong nước, khi tan tạo thành dung dịch keo; chúng cũng tan trong dung dịch muối loãng, glycerin và các dung môi hữu cơ có cực khác. Enzyme không bền và dễ dàng bị biến tính dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Enzyme bị biến tính thì mất khả năng xúc tác. Mức độ giảm hoạt tính của enzyme tương ứng với mức độ biến tính của protein trong chế phẩm. Kiềm, acid mạnh, kim loại nặng cũng làm cho enzyme biến tính.

Cũng như protein, enzyme cũng có tính chất lưỡng tính. b. Thành phần cấu tạo của enzyme

KÈ

M

Cũng như protein, enzyme có thể là protein đơn giản hoặc protein phức tạp. Trên cơ sở đó, người ta thường phân enzyme thành hai nhóm: enzyme một thành phần (enzyme một cấu tử) và enzyme hai thành phần (enzyme hai cấu tử). Trường hợp enzyme là một protein đơn giản gọi là enzyme một thành phần. Trường hợp enzyme là một protein phức tạp nghĩa là ngoài protein đơn giản còn có một nhóm ngoại nào đó không phải protein gọi là enzyme hai thành phần.

DẠ

Y

Phần protein của enzyme hai thành phần được gọi là apoprotein hay apoenzyme, còn phần không phải protein gọi là nhóm ngoại hoặc coenzyme. Phần không phải protein thường là những chất hữu cơ đặc hiệu có thể gắn chặt vào phần protein hoặc có thể chỉ liên kết lỏng lẻo

112

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

và có thể tách khỏi phần protein khi cho thẩm tích qua màng. Coenzyme là phần không phải protein của enzyme trong trường hợp khi nó dễ tách khỏi phần apoenzyme khi cho thẩm tích qua màng bán thấm và có thể tồn tại độc lập. Phần không phải protein của enzyme được gọi là nhóm ngoại hay nhóm prosthetic, khi nó liên kết chặt chẽ với phần protein của enzyme bằng liên kết đồng hóa trị. Một phức hợp hoàn chỉnh gồm cả apoenzyme và coenzyme được gọi là holoenzyme. Một coenzyme khi kết hợp với các apoenzyme tạo thành các holoenzyme khác nhau xúc tác cho quá trình chuyển hóa các chất khác nhau nhưng giống nhau về kiểu phản ứng. Coenzyme trực tiếp tham gia phản ứng xúc tác, giữ vai trò quyết định kiểu phản ứng mà enzyme xúc tác và làm tăng độ bền của apoenzyme đối với các yếu tố gây biến tính. Còn apoenzyme có tác dụng nâng cao hoạt tính xúc tác của coenzyme và quyết định tính đặc hiệu của enzyme. Các coenzyme thường là các dẫn xuất của các vitamin hòa tan trong nước. Cần chú ý là sự phân biệt coenzyme và nhóm ngoại chỉ là tương đối, vì khó có thể có một tiêu chuẩn thật rành mạch để phân biệt “liên kết chặt chẽ” và “liên kết không chặt chẽ”, nhất là trong những năm gần đây, người ta đã chứng minh rằng, nhiều coenzyme cũng kết hợp vào apoenzyme của chúng bằng liên kết đồng hóa trị. Do đó, ngày nay người ta ít chú ý đến sự phân biệt coenzyme và nhóm ngoại. Ngoài ra, trong thành phần cấu tạo, rất nhiều enzyme có chứa kim loại. Thuộc loại enzyme hai thành phần gồm có hầu hết các enzyme của các lớp 1, 2, 4, 5, 6. Các enzyme thủy phân (lớp 3) thường là enzyme một thành phần có chứa ion kim loại hoặc đòi hỏi ion kim loại làm cofactor (đồng yếu tố).

M

c. Tính chất lý - hoá của protein enzyme

KÈ

- Khối lượng và hình dạng phân tử protein:

Y

Protein có khối lượng phân tử tương đối lớn và thay đổi trong một dải rộng từ hơn 10000 đến hàng trăm nghìn dalton. Các phân tử lớn này có thể có dạng cầu (hình hạt, bầu dục) hay dạng sợi.

DẠ

- Tính tan của protein:

Các loại protein khác nhau có khả năng hoà tan dễ dàng trong một số loại dung môi nhất định, chẳng hạn như albumin dễ tan trong nước; 113

CI AL

globulin dễ tan trong muối loãng; prolamin tan trong ethanol, glutelin chỉ tan trong dung dịch kiềm hoặc acid loãng,...

- Tính ngậm nước của protein:

OF

FI

Trong môi trường nước, protein kết hợp với nước trương lên tạo thành dạng keo, hay nói cách khác protein ở trạng thái hydrate hoá, các phân tử nước bám vào các nhóm ưa nước trong phân tử protein như -NH2, -COOH,... lớp áo nước bao quanh phân tử protein là một trong các yếu tố làm bền vững cấu trúc, ngăn cách các phân tử protein không cho chúng dính vào nhau để tạo tủa.

- Độ nhớt của dung dịch protein:

ƠN

Khi protein hoà tan trong dung dịch, mỗi loại dung dịch của những protein khác nhau có độ nhớt khác nhau. Người ta có thể lợi dụng tính chất này để xác định khối lượng phân tử của protein (độ nhớt càng cao thì khối lượng phân tử càng cao).

QU

Y

NH

Bảng 1.4. Độ nhớt của một số protein

M

- Tính chất điện ly của protein:

DẠ

Y

KÈ

Cũng như các acid amin, protein là chất điện ly lưỡng tính vì trong phân tử protein có nhiều nhóm phân cực mạnh (bên gốc R) của acid amin ví dụ: nhóm COOH thứ hai của Asp, Glu; nhóm NH2 của Lys; nhóm OH của Ser, Thr, Tyr,...

Trạng thái tích điện của các nhóm này phụ thuộc vào pH của môi trường. Ở một pH nào đó mà tổng điện tích (+) và điện tích (-) của phân tử protein bằng không, phân tử protein không di chuyển trong điện trường gọi là pHi (isoelectric - điểm đẳng điện) của protein. Như vậy protein chứa nhiều Asp, Glu (amino acid có tính acid mạnh) thì pHi ở trong vùng acid, ngược lại nhiều acid amin kiềm như Lys, Arg, His thì pHi ở trong vùng kiềm.

114

CI AL

Ở môi trường có pH < pHi , protein đa số là một cation, số điện tích dương lớn hơn số điện tích âm. Ở pH > pHi phân tử protein thể hiện tính acid, cho ion H+, do đó số điện tích âm lớn hơn số điện tích dương, protein là một đa anion, tích điện âm.

ƠN

OF

FI

Bảng 1.5. Giá trị pHi của một số protein

NH

Trong môi trường có pH = pHi của protein, protein dễ dàng kết tụ lại với nhau vì thế người ta lợi dụng tính chất này để xác định pHi của protein cũng như để kết tủa protein. Mặt khác, do sự sai khác nhau về pHi giữa các protein mà có thể điều chỉnh pH của môi trường để tách riêng các protein ra khỏi hỗn hợp của chúng.

Y

- Sự kết tủa bằng muối của dung dịch protein:

KÈ

M

QU

Muối trung tính có ảnh hưởng tới độ hoà tan của protein hình cầu: với nồng độ thấp chúng làm hoà tan nhiều protein. Tác dụng đó không phụ thuộc vào bản chất của muối trung tính, mà phụ thuộc vào nồng độ muối và số điện tích của mỗi ion trong dung dịch, tức là phụ thuộc vào lực ion μ của dung dịch. Các muối có ion hoá trị 2 (MgCl2, MgSO4,...) làm tăng đáng kể độ tan của protein hơn các muối có ion hoá trị 1 (NaCl, NH4Cl, KCl,...). Khi tăng đáng kể nồng độ muối trung tính thì độ tan của protein bắt đầu giảm và ở nồng độ muối rất cao, protein có thể bị kết tủa hoàn toàn.

DẠ

Y

Các protein khác nhau bị kết tủa ở những nồng độ muối trung tính khác nhau. Người ta sử dụng tính chất này để chiết xuất và tách riêng protein khỏi hỗn hợp. Đó là phương pháp diêm tích (kết tủa protein bằng muối). Thí dụ dùng muối amonium sulfate 50% bảo hoà kết tủa globulin và dung dịch amonium sulfate bảo hoà để kết tủa albumin từ huyết thanh.

115

- Biểu hiện quang học của protein:

FI

CI AL

Protein có khả năng hấp thụ và bức xạ ánh sáng dưới dạng lượng tử hγ.

Vì vậy có thể đo cường độ hấp thụ của protein trong dung dịch hay còn gọi là mật độ quang thường ký hiệu bằng chữ OD (Optical Density). Dựa trên tính chất đó người ta đã sản xuất ra các loại máy quang phổ hấp thụ để phân tích protein. Nhìn chung protein đều có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến (từ 350nm - 800nm) và vùng tử ngoại (từ 320nm xuống tới 180nm).

OF

Trong vùng ánh sáng khả kiến, protein kết hợp với thuốc thử hấp thụ mạnh nhất ở vùng ánh sáng đỏ 750nm (định lượng protein theo Lowry). Đối với vùng tử ngoại dung dịch protein có khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại ở hai vùng bước sóng khác nhau: 180nm - 220nm và 250nm - 300nm.

ƠN

- Kết tủa thuận nghịch và không thuận nghịch protein:

QU

Y

NH

Khi protein bị kết tủa đơn thuần bằng dung dịch muối trung tính có nồng độ khác nhau hoặc bằng alcohol, acetone ở nhiệt độ thấp thì protein vẫn giữ nguyên được mọi tính chất của nó kể cả tính chất sinh học và có thể hoà tan trở lại gọi là kết tủa thuận nghịch. Các yếu tố kết tủa thuận nghịch được dùng để thu nhận chế phẩm protein. Trong quá trình kết tủa thuận nghịch muối trung tính vừa làm trung hoà điện vừa loại bỏ lớp vỏ hydrate hoá của protein, còn dung môi hữu cơ vốn háo nước sẽ phá hủy lớp vỏ hydrate nhanh chóng.

Trong chế phẩm protein nhận được còn lẫn các chất đã dùng để kết tủa, cần sử dụng phương pháp thích hợp để loại bỏ các chất này. Ví dụ, có thể dùng phương pháp thẩm tích để loại bỏ muối.

KÈ

M

Ngược lại kết tủa không thuận nghịch là protein sau khi bị kết tủa không thể phục hồi lại trạng thái ban đầu. Sự kết tủa này thường được sử dụng để loại bỏ protein ra khỏi dung dịch, làm ngưng phản ứng của enzyme. Một trong những yếu tố gây kết tủa không thuận nghịch đơn giản nhất là đun sôi dung dịch protein.

- Các phản ứng hoá học của protein:

DẠ

Y

Cũng như các amino acid và peptide, protein có các phản ứng hoá học tương tự, đó là: phản ứng của các nhóm -COOH, -NH2, gốc R và phản ứng tạo màu đặc trưng của liên kết peptide như phản ứng biure. Ở đây xin được giới thiệu thêm một số phản ứng màu đặc trưng khác, có ý nghĩa quan trọng trong

116

phát hiện protein và các gốc amino acid trong chuỗi polypeptide.

CI AL

+ Phản ứng với thuốc thử Folin - Ciocateau

Thuốc thử Folin - Ciocateau có chứa phosphomolipdic acid và phosphovolframic acid các chất này làm tăng độ nhạy của phản ứng biure, mặt khác phản ứng với gốc Tyr và Trp trong phân tử protein. Các gốc amino acid này tham gia trong quá trình tạo phức chất màu xanh da trời.

OF

FI

+ Các phản ứng màu đặc trưng khác của protein: Những phản ứng này có được là do sự có mặt của các nhóm định chức hóa học xác định trong phân tử protein. Có thể sử dụng chúng để phát hiện amino acid, protein trong dung dịch.

ƠN

• Phản ứng xanthproteic: các gốc amino acid Tyr, Trp, Phe trong protein tác dụng với HNO3 đặc tạo thành màu vàng và sau khi thêm kiềm sẽ chuyển thành da cam.

• Phản ứng Pauli: các gốc Tyr, His trong protein tác dụng với diazobenzosulfonic acid tạo thành màu đỏ anh đào.

NH

• Phản ứng Millon: gốc Tyr tác dụng với thuỷ ngân nitrate trong HNO 3đặc tạo thành kết tủa màu nâu đất.

Y

• Phản ứng Saccaguichi: gốc Arg tác dụng với dung dịch kiềm của α-naphtolvà hypobromitecho màu đỏ anh đào.

QU

• Phản ứng Adamkievich: gốc Trp tác dụng với glyoxylic acid và H2SO 4đặc tạo thành vòng tím đỏ ở mặt phân cách.

Cấu trúc của protein

DẠ

Y

KÈ

M

Về mặt cấu trúc người ta phân biệt protein gồm bốn bậc: bậc I, bậc II, bậc III và bậc IV.

Hình 1.65. Sơ đồ các bậc cấu trúc của protein 117

Cấu trúc bậc I

CI AL

Cấu trúc bậc I biểu thị trình tự các gốc acid amin trong chuỗi polypeptide, cấu trúc này được giữ vững bằng liên kết peptide (liên kết cộng hóa trị). Cấu trúc bậc I là phiên bản của mã di truyền, việc xác định được cấu trúc bậc I là cơ sở để tổng hợp nhân tạo protein bằng phương pháp hoá học hoặc bằng kỹ thuật của công nghệ sinh học.

Y

NH

ƠN

OF

FI

Hiện nay nhiều loại protein đã biết được trình tự các acid amin trong chuỗi polypeptide như: ribonuclease là một protein có 124 acid amin được nối với nhau thành một chuỗi, có 4 cầu disulfua; hemoglobin là protein có 4 chuỗi polypeptide, 2 chuỗi α (mỗi chuỗi 141 acid amin) và 2 chuỗi β (mỗi chuỗi 146 acid amin); trypsinogen bò (229 acid amin); kimotrypsin bò (229 acid amin); alcol dehydrogenase ngựa (374 acid amin); glutamate dehydrogenase bò (500 acid amin),...

QU

Hình 1.66. Cấu trúc bậc nhất của ribonuclease của bò Cấu trúc bậc II

DẠ

Y

KÈ

M

Biểu thị sự xoắn của chuỗi polypeptide, là tương tác không gian giữa các gốc acid amin ở gần nhau trong mạch polypeptide.

Hình 1.67. Các kiểu xoắn trong cấu trúc bậc 2 của protein

118

CI AL

Nói cách khác, cấu trúc bậc II là dạng không gian cục bộ của từng phần trong mạch polypeptide. Cấu trúc này được làm bền nhờ các liên kết hydrogen được tạo thành giữa liên kết peptide ở kề gần nhau, cách nhau những khoảng xác định. Theo Pauling và Cori (1951) cấu trúc bậc II của protein bao gồm 2 kiểu chính là xoắn α và phiến gấp β.

Cấu trúc bậc III

ƠN

OF

FI

Biểu thị sự xoắn và cuộn khúc của chuỗi polypeptide thành khối, đặc trưng cho potein cầu, là tương tác không gian giữa các gốc acid amin ở xa nhau trong chuỗi polypeptide. Trong nhiều protein hình cầu có chứa các gốc Cys tạo nên liên kết disulfua giữa các gốc Cys xa nhau trong chuỗi polypeptide làm cho chuỗi bị cuộn lại. Ngoài ra cấu trúc bậc III còn được giữ vững bằng các loại liên kết khác như Van der Waals, liên kết hydrogen, liên kết tĩnh điện giữa các gốc acid amin,...

Cấu trúc bậc IV

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

Biểu thị sự kết hợp của các chuỗi có cấu trúc bậc III trong phân tử protein. Hay nói cách khác, những phân tử protein có cấu trúc từ 2 hay nhiều chuỗi protein hình cầu, tương tác với nhau trong không gian tạo nên cấu trúc bậc IV. Mỗi một chuỗi polypeptide đó được gọi là một tiểu đơn vị (subunit), chúng gắn với nhau nhờ các liên kết hydrogen, tương tác Van der Waals giữa các nhóm phân bố trên bề mặt của các tiểu đợn vị để làm bền cấu trúc bậc IV.

DẠ

Hình 1.68. Cấu trúc bậc 3 của myoglobin và bậc 4 của hemoglobin (hemoglobin là protein có 4 chuỗi polypeptide: 2 chuỗi α và 2 chuỗi β; myoglobin chỉ gồm một chuỗi polypeptide) 119

OF

FI

CI AL

Đến nay người ta đã xác định rằng phần lớn các enzyme trong tế bào đều có cấu trúc bậc bốn. Các enzyme có cấu trúc bậc bốn là enzyme olygomer và polymer do nhiều đơn vị nhỏ cấu tạo nên, mỗi đơn vị nhỏ là do một chuỗi polypeptide. Các đơn vị nhỏ trong một phân tử enzyme có thể giống nhau, nhưng cũng có thể khác nhau về cấu tạo và chức năng, hoặc cũng có thể một số giống nhau, một số khác nhau. Những enzyme do nhiều đơn vị nhỏ cấu tạo nên còn được gọi là các enzyme polymer và các đơn vị nhỏ được gọi là protomer (các đơn vị nhỏ còn được gọi là các mảnh hoặc tiểu phần dưới đơn vị). e. Phân loại enzyme

NH

ƠN

Như ta đã biết, mỗi enzyme xúc tác cho mỗi kiểu phản ứng hoá học duy nhất (như oxy hoá một kiểu cơ chất nhất định, thuỷ phân một kiểu liên kết nhất định, vận chuyển một nhóm chất nhất định từ một chất cho đến một chất nhận có địa chỉ, trong đó có cả việc biến đổi chỉ một cơ chất duy nhất), mặt khác còn có một kiểu phản ứng hoá sinh nhất định có thể được xúc tác bằng các enzyme khác nhau.

Y

Dựa vào tính đặc hiệu phản ứng của enzyme, chia enzyme làm 6 lớp:

QU

1. Oxydoreductase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng oxi hoá-khử.

2. Transferase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng chuyển vị.

M

3. Hydrolase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng thủy phân.

KÈ

4. Lyase: các enzyme xúc tác cho các phản ưng phân cắt không cần nước.

5. Isomerase: các enzyme xúc tác cho các phản ứng đồng phân hoá.

DẠ

Y

6. Ligase (synthetase): các enzyme xúc tác cho các phản ứng tổng hợp có sử dụng liên kết giàu năng lượng của ATP...

120

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

f. Quy trình lên men sản xuất enzyme

Hình 1.69. Quy trình sản xuất enzyme

M

Sản xuất enzyme gồm các bước cơ bản như quy trình hình 1.68. Cụ thể gồm các công đoạn chính như:

DẠ

Y

KÈ

Tuyển chọn và cải tạo giống vi sinh vật cho enzyme có hoạt lực cao: Yêu cầu đối với giai đoạn này là tuyển chọn được chủng tổng hợp enzyme cần thiết, với lượng đáng kể và hoạt tính cao. Môi trường tuyển chọn phân lập thường từ đất, nước, lương thực, thực phẩm,... Tuy nhiên các chủng phân lập theo phương pháp thông thường, chỉ tổng hợp một lượng nhỏ enzyme (enzyme bản thể), người ta cần tiến hành gây đột biến bằng phương pháp sinh học, lý, hóa học,… để tạo chủng có khả năng “siêu tổng hợp enzyme” như: phương pháp gây đột biến; phương pháp biến nạp; 121

CI AL

phương pháp tiếp hợp gene; phương pháp tải nạp. Bên cạnh việc chọn giống thuần chủng, đã được kiểm tra đầy đủ về các đặc tính hóa sinh, vi sinh, nuôi cấy, thì cũng cần lưu ý đến điều kiện bảo quản giống.

ƠN

OF

FI

Môi trường dinh dưỡng và giai đọan nuôi vi sinh vật: Thành phần môi trường dinh dưỡng có ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh trưởng và tổng hợp enzyme của vi sinh vật. Môi trường phải có đủ hợp chất chứa C, N, H, O và các chất khoáng Mg, Ca, S, Fe, K, Cu, Zn, Co,..., vitamin. Nguồn cung cấp cacbon tốt nhất là glucid (đường monose, hoặc disaccharid,…) sau đó là chất béo, acid hữu cơ, rượu,... Nguồn N đưa vào môi trường dạng muối nitrat, nitrit, muối amon, chất hữu cơ có nitơ,… Nguồn P ở dạng muối phosphat. Đặc biệt lưu ý, để tăng sự tổng hợp enzyme người ta thường cho thêm vào môi trường nuôi “chất cảm ứng” tổng hợp enzyme, thường là cơ chất tương ứng của enzyme cần tổng hợp.

NH

Trong quá trình nuôi vi sinh vật, phải lưu ý đến nồng độ chất cho phù hợp, nhiệt độ nuôi, độ pH môi trường, độ ẩm, độ thoáng khí, thiết bị và phòng nuôi,… tất cả những vấn đề trên đều ảnh hưởng đến hiệu quả tổng hợp enzyme, do vậy ta phải chọn lọc và tạo điều kiện tối ưu cho vi sinh vật.

Về phương pháp nuôi cấy vi sinh vật thu enzyme, hiện nay người ta dùng phương pháp sau: nuôi cấy bề mặt; nuôi cấy chìm.

KÈ

M

QU

Y

Tách và làm sạch chế phẩm enzyme: Các phân tử enzyme không có khả năng đi qua màng của tế bào. Do đó để có thể chiết rút các enzyme nội bào, bước đầu tiên là phải phá vỡ cấu trúc của các tế bào có chứa enzyme và chuyển chúng vào dung dịch. Có thể phá vỡ cấu trúc của các tế bào bằng các biện pháp cơ học như nghiền với bột thủy tinh hoặc cát thạch anh, đồng hóa bằng thiết bị đồng hóa (homogenizator). Muốn tách được các enzyme trong các cấu tử của tế bào, người ta còn phải dùng các yếu tố vật lý và hóa học khác nhau như sóng siêu âm, dùng các dung môi hữu cơ như butanol, aceton, glycerin, ethyl acetate,... và chất detergent. Các hóa chất có tác dụng tốt cho việc phá vỡ các cấu tử của tế bào vì trong các cơ quan này thường chứa mỡ.

DẠ

Y

Để loại bỏ muối khoáng và các loại đường, là các tạp chất có phân tử lượng thấp, người ta thường dùng phương pháp thẩm tích (dialysis) đối nước hay đối các dung dịch đệm loãng hoặc bằng cách lọc qua gel sephadex. Để loại bỏ các protein tạp (protein cấu trúc, protein trơ) và các

122

CI AL

chất có phân tử lượng cao khác người ta hay dùng kết hợp các phương pháp khác nhau: phương pháp biến tích chọn lọc nhờ tác dụng của nhiệt độ hoặc pH của môi trường, phương pháp kết tủa phân đoạn bằng muối trung tính hoặc các dung môi hữu cơ, các phương pháp sắc ký (sắc ký hấp phụ, sắc ký trao đổi ion), điện di, phương pháp lọc gel.

1.3.3. Sản phẩm của sự chuyển hoá (transformation product)

NH

ƠN

OF

FI

Trong sự chuyển hóa chất, các tế bào vi sinh vật hoạt động như những hệ thống xúc tác cho một hoặc nhiều bước chuyển hoá chất. Về mặt lý thuyết những phản ứng này có thể xảy ra nhờ xúc tác của những enzyme riêng biệt đặc hiệu, song khó thực hiện tách được những enzyme đó là điều khó khăn hoặc không kinh tế. Trong quá trình chuyển hóa chất, tiền sản phẩm được trộn với sinh khối vi sinh vật thu được sau khi nuôi cấy có hoạt tính với những enzyme có mặt trong tế bào sẽ cho những sản phẩm mong muốn. Những thành tựu của quá trình này được ứng dụng trong sản xuất các chất cortisol, ascorbic acid, gluconic acid,... và các dẫn xuất dùng điều trị các chứng viêm khớp.

Tế bào → Tiền sản phẩm → Sản phẩm

QU

Y

Ví dụ: sự chuyển hóa steroid của sự tạo thành cortisol, sự oxy hóa không hoàn toàn thành acetic acid, sự chuyển hóa trong sorbose trong sản xuất ascorbic acid (vitamin C).

M

Ví dụ: Sự chuyển hóa ethanol

KÈ

Các vi khuẩn tham gia chuyển hóa như Acetobacter, Acetomonas.

1.4. KHÁI NIỆM VỀ THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM

DẠ

Y

Như một số ví dụ đã đề cập ở mục 1.1, chúng ta thấy sau quá trình lên men, muốn thu được sản phẩm mong muốn, phải tiến hành tách chiết, xử lý, làm sạch và bao gói. Quá trình này được gọi là thu hồi và hoàn thiện sản phẩm, bao gồm cả việc tái chế các thành phần còn giá trị sử dụng và xử lý thích hợp các chất thải.

123

CI AL

Thu hồi sản phẩm lên men là tất cả các phương pháp cơ học, hóa học, sinh học,… nhằm loại bỏ các yếu tố ngăn cản khác và lấy được một số sản phẩm mong muốn từ dịch lên men.

FI

Quá trình tách chiết và làm sạch sản phẩm sinh học tạo thành một sản phẩm phù hợp với mục đích sử dụng. Sự phức tạp của quá trình này được xác định bởi nhiều yếu tố như mức độ tinh khiết cần thiết, ứng dụng của sản phẩm,... Sự thu hồi và hoàn thiện sản phẩm thường chiếm 40% – 90% tổng chi phí.

OF

Sự lựa chọn quá trình thu hồi dựa trên các tiêu chí sau:  Vị trí ngoại bào hay nội bào của sản phẩm.  Nồng độ của sản phẩm trong môi trường.

ƠN

 Tính chất vật lý và hóa học của sản phẩm mong muốn.  Mục đích sử dụng của sản phẩm.

NH

 Tiêu chuẩn sự tinh khiết tối thiểu có thể chấp nhận được.  Mức độ nguy hiểm sinh học của sản phẩm hoặc môi trường lên men.  Các tạp chất trong canh trường lên men.

Y

 Giá cả thị trường của sản phẩm.

QU

1.5. VAI TRÒ THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM - Tăng năng suất,

- Sản phẩm đồng nhất,

- Cải thiện chỉ tiêu chất lượng sản phẩm,

M

- Quyết định đến việc thương mại hóa của sản phẩm,

KÈ

- Giảm chi phí sản xuất nên giảm giá thành sản phẩm tạo ra các sản phẩm chất lượng với giá cả cạnh tranh,

Y

- Hiệu suất thu hồi sản phẩm cao (tức là tỷ lệ tổn thất của quy trình sản xuất là thấp) thì ngành công nghệ đó đạt hiệu quả kinh tế cao.

DẠ

Ví dụ 1: Trong quá trình sản xuất bia sau quá trình lên men, người ta tiến hành lọc bia để tăng độ trong của sản phẩm. Mục đích của lọc bia là hoàn thiện sản phẩm.

124

CI AL

Ví dụ 2: Trong quá trình sản xuất cà phê hòa tan, nhiệt độ cao sẽ làm bay hơi các cấu tử hương đặc trưng của cà phê, cần phải thu hồi khí này và hóa lỏng nó, sau đó bổ sung trở lại dịch cà phê sau khi cô đặc.

FI

Rất nhiều kỹ thuật được đưa ra để hoàn thiện và thu hồi sản phẩm.

Với mỗi sản phẩm khác nhau sẽ có các quá trình khác nhau tùy thuộc vào bản chất nguyên liệu và quy trình công nghệ.

ƠN

OF

Ví dụ 3: Trong sản xuất protein đơn bào, sản xuất protein từ vi sinh vật chủ yếu được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản, chỉ một lượng nhỏ được sử dụng làm thức ăn cho người. Muốn làm thức ăn cho con người cần phải có các phương pháp thu hồi và hoàn thiện sản phẩm như: loại bỏ tạp chất, tinh chế để thu nhận chế phẩm protein tinh khiết, có thành phần phù hợp với dinh dưỡng của con người và tạo vị thơm, ngon hợp khẩu vị hơn.

NH

1.6. KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH THU HỒI VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM

QU

1.6.1. Thiết bị

Y

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu hồi và hoàn thiện sản phẩm, cần phải kiểm soát chặt chẽ các yếu tố đó để không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

M

Cần lựa chọn thiết bị phù hợp với nguyên liệu và quy trình công nghệ thì mới đạt hiệu quả cao trong sản xuất. Kiểm soát chính xác các thông số của thiết bị theo yêu cầu sẽ tạo ra các sản phẩm phù hợp với yêu cầu của nhà sản xuất.

KÈ

Ví dụ 1: Trong quá trình sản xuất bia, quá trình bão hòa CO2 là quá trình hoàn thiện sản phẩm, cần lựa chọn thiết bị bão hòa CO2 thích hợp với áp lực CO2 sử dụng là 0,15-0,2 Mpa.

DẠ

Y

Việc lựa chọn thiết bị không thích hợp hay không kiểm soát quá trình bão hòa CO2 thì sản phẩm không đạt chất lượng đúng yêu cầu, làm giảm giá trị cảm quan của sản phẩm.

Ví dụ 2: Đối với thiết bị sấy phun, việc lựa chọn cơ cấu phun ly tâm, 125

CI AL

phun áp lực hay phun khí động tùy thuộc vào độ nhớt của nguyên liệu.

Dung dịch có độ nhớt cao thì khó áp dụng đầu phun áp lực, khi đó, lựa chọn đầu phun ly tâm sẽ hiệu quả hơn.

1.6.2. Quy trình công nghệ

Lựa chọn quy trình và các thông số công nghệ (nhiệt độ, pH, áp lực,…) phù hợp giúp đạt chất lượng sản phẩm tốt nhất và tăng giá trị kinh tế.

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

Ví dụ 1: trong chế biến sữa bột, để thu sản phẩm sữa dạng bột thì cần phải trải qua công đoạn sấy. Lựa chọn quy trình công nghệ sấy hai giai đoạn sử dụng thiết bị sấy phun kết hợp với sấy băng tải sẽ cho hiệu quả tách ẩm tốt hơn, chất lượng sữa ít bị ảnh hưởng và tiết kiệm năng lượng hơn so với công nghệ sấy một giai đoạn.

Hình 1.71. Công nghệ sấy sữa hai giai đoạn

1. Buồng sấy 2. Caloriphe 3. Thiết bị chứa nguyên liệu cần sấy 4. Bơm nhập liệu 5. Cơ cấu phun mẫu 6. Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí thoát 7. Cyclon vận chuyển sản phẩm 8. Hệ thống quạt hút và màng lọc

1. Gia nhiệt không khí cho buồng sấy phun 2. Buồng sấy phun 3. Buồng sấy tầng sôi 4. Gia nhiệt không khí cho sấy tầng sôi 5. Quạt cung cấp không khí làm nguội 6.

Quạt cấp không khí có độ ẩm thấp để làm nguội 7. Rây bột sản phẩm

KÈ

M

Hình 1.70. Công nghệ sấy sữa một giai đoạn

DẠ

Y

Ví dụ 2: Trong các quy trình sản xuất sản phẩm lên men có công đoạn kết tinh sản phẩm, các thông số công nghệ có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả kết tinh gồm: nồng độ chất tan, pH dung môi hay pH dung dịch cô đặc, nhiệt độ kết tinh,... Tất cả đều phải được tối ưu để hiệu quả quá trình là cao nhất.

126

1.6.3. Bao gói

CI AL

Lựa chọn phương pháp bao gói thích hợp cũng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Hình dạng, kích thước và vật liệu bao gói ảnh hưởng đến công nghệ chế biến sản phẩm cũng như chất lượng sản phẩm.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

Ví dụ: Trong quy trình sản xuất sữa tiệt trùng, có thể sử dụng phương án tiệt trùng trong bao bì hay ngoài bao bì; bao bì phải đảm bảo các yếu tố như kín, cách ly môi trường (oxy, ánh sáng). Hiện nay, bao bì 6 lớp (polyethylene, giấy, carton, polyethylene, nhôm, polyethylene) rất phổ biến trong bao gói thực phẩm.

127

CI AL

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÁCH THU HỒI SẢN PHẨM

FI

2.1. PHƯƠNG PHÁP TÁCH CHẤT RẮN RA KHỎI CHẤT LỎNG 2.1.1. Phương pháp lọc

OF

2.1.1.1. Định nghĩa

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

Lọc là một quá trình phân riêng hỗn hợp lưu chất nhờ một vách ngăn xốp có các lỗ nhỏ li ti có đường kính d0 (m). Vách ngăn xốp có khả năng cho một pha và các phân tử có đường kính nhỏ hơn d0 đi qua và giữ pha kia và các phần tử lưu chất có đường kính lớn hơn d0 ở lại. Vách ngăn đó gọi là màng lọc. Xem Hình 2.1.

Hình 2.1. Cấu tạo màng lọc

DẠ

Y

- Động lực của quá trình lọc: là độ chênh lệch áp suất giữa hai bên vách ngăn hay màng lọc, tức là:

DP = P1 – P2 = DPb + DPv

- Có nhiều cách phân loại quá trình lọc:

128

(2.1)

CI AL

+ Căn cứ vào động lực quá trình lọc thì có thể phân ra làm các loại: lọc ở áp suất dư, áp suất thường và áp suất chân không. + Căn cứ vào đường kính lỗ màng lọc thì có thể phân ra làm các loại: lọc thô, lọc tinh và siêu lọc.

2.1.1.2. Vận tốc của quá trình lọc

Lượng nước lọc thu được trên một đơn vị diện tích bề mặt màng lọc,

FI

trong một đơn vị thời gian gọi là vận tốc lọc hay tốc độ lọc.

Với:

dV , m/s S.dt V (m3) là lượng nước lọc thu được.

S (m2) là diện tích bề mặt màng lọc.

t (s) là thời gian lọc.

OF

W=

(2.2)

ƠN

= W

NH

- Đối với lọc thường, tuân theo phương trình thực nghiệm của Daksi như sau: dV DP = S.dt m. ( R b + R v )

(2.3)

QU

Y

- Đối với lọc sâu, tuân theo phương trình thực nghiệm của Hagen – Poagen như sau:

Với:

m (N.s/m2): độ nhớt tuyệt đối của pha liên tục.

KÈ

(2.4)

M

dV p.DP.N.rk4 = W = S.dt 8.m.lk

rk, lk (m): bán kính và chiều dài của lỗ màng lọc.

N: số lỗ màng lọc.

Rb, Rv (1/m): trở lực của lớp bã ẩm và vách ngăn của

màng lọc, xem Hình 2.2.

DPb, DPv (Pa): tổn thất áp suất của lớp bã và màng lọc.

DẠ

Y

129

ƠN

OF

FI

CI AL

2.1.1.3. Cân bằng vật chất của quá trình lọc

Hình 2.2. Cân bằng vật chất Gọi:

NH

- Gh (kg), Vh (m3) là khối lượng và thể tích huyền phù đưa vào lọc.

- G0 (kg), V0 (m3) là khối lượng và thể tích của pha phân tán trong dịch huyền phù.

Y

- G1 (kg), V1 (m3) là khối lượng và thể tích của pha liên tục trong dịch huyền phù đưa vào lọc.

QU

- Ga (kg), Va (m3) là khối lượng và thể tích bã ẩm thu được ở trên màng lọc.

- G (kg), V (m3) là khối lượng và thể tích nước lọc thu được.

Theo định luật bảo toàn vật chất thì:

Gh = G0 + G1 = Ga + G

(2.5)

Vh = V0 + V1 = Va + V

(2.6)

M

Gh Ga G = + G0 G0 G0

Y

KÈ

Từ (2.6) sẽ có:

(2.7)

DẠ

- Nồng độ dịch huyền phù được xác định:

130

Cm =

G0 G 1 ⇒ = h Gh Cm G 0

(2.8)

m=

Ga G0

(2.9)

- Gọi Ub là độ ẩm bã lọc thì Ub được xác định: Ga - G0 G = 1- 0 Ga Ga

- Quan hệ giữa m và Ub được xác định: 1 1 - Ub

FI

Ub =

OF

CI AL

- Gọi m là tỷ lệ giữa bã ẩm và bã khô tuyệt đối thì m được xác định như sau:

(2.10)

m=

Với:

G = r.V (r, kg/m3): khối lượng riêng của nước lọc), nên:

G0 G0 Xm = = G V.r r

Với:

Xm = G0/V: tỷ số giữa lượng bã khô tuyệt đối và lượng

nước lọc thu được.

NH

ƠN

(2.11)

(2.12)

Y

Từ (2.7) sẽ nhận được:

QU

r.Cm 1 r =m + ⇒ Xm = Cm Xm 1 - m.C m

(2.13)

Từ (2.6) sẽ nhận được:

Vh Va = +1 V V

M

KÈ

(2.14)

X0 = Va/V là tỷ số thể tích bã ẩm và lượng nước lọc thu

được, nên (2.14) được viết lại:

Vh = V.(X0 + 1) = Va.(1 +

DẠ

Y

Gọi:

Như vậy:

X 0 Va / V Va 1 = = = X m G 0 / V G 0 ra

1 ) X0

(2.15) (2.16)

131

Với: ra (kg/m3): khối lượng riêng của bã ẩm, được xác định theo phương trình sau:

CI AL

1 1 m -1 = + ra r r r

(2.17)

- Quan hệ giữa X0 và Xm được xác định:

 1 m -1  r.Cm  1 m - 1  X0 = Xm . + . + =  (2.18) r r r  1 m.C  r  m  rr

FI

h= 0

Va X 0 .V ,m = S S

ƠN

OF

- Chiều cao (h0, m) của lớp bã ẩm trên màng lọc được tính:

(2.19)

- Lượng bã khô tuyệt đối (go, kg/m2) thu được trên 1m2 của màng lọc được tính: = g0

G 0 X m .V = S S

NH

(2.20)

- Trở lực của lớp bã ẩm được xác định: Rb = r0.h0 = rm.g0

QU

Tương đương:

Y

V V rm .X m Rb = r0 .X 0 . = rm .X m . ⇔ r0 .X= 0 S S

(2.22)

r0 (1/m2) gọi là trở lực riêng theo thể tích bã lọc, đó là trở lực của lớp bã tạo thành bề dày 1m. rm (kg/m) gọi là trở lực riêng theo khối lượng bã lọc, đó là trở lực của lớp bã lọc có 1 kg bã khô tuyệt đối tạo thành trên 1m2 diện tích màng lọc.

M

KÈ

Với:

(2.21)

Y

2.1.1.4. Trở lực riêng của bã lọc

DẠ

Trở lực riêng của bã lọc được xác định theo hai phương trình thực nghiệm như sau:

132

r0 = r0' .DPs ' ; rm = rm' .DPs '

(2.23)

r0= r0" + a.DPs" ; rm= rm" + a.DPs"

r0’, rm’, r0”, rm”, s’, s”, a là các hệ số xác định bằng

thực nghiệm.

s’, s” gọi là hệ số ép nén.

CI AL

Với:

(2.24)

- Nếu 0 < s’ < 1; 0 < s” < 1 bã lọc bị ép nén.

OF

2.1.1.5. Phương trình lọc

FI

- Nếu s’ = 0; s” = 0 bã lọc không bị ép nén.

ƠN

Thông thường, quá trình lọc được thực hiện trong các điều kiện: áp suất không đổi (DP = const), tốc độ không đổi (W = const), tốc độ và áp suất đều thay đổi (DP  const; W � const).

Tùy theo điều kiện lọc thì có phương trình lọc tương ứng.

NH

a) Lọc với áp suất không đổi (DP = const)

Theo Daksi phương trình lọc được viết theo (2.3)

Rb = r0 .X 0 .

QU

Với:

(2.25)

V V = rm .X m . , thay vào (2.25) sẽ nhận S S

được phương trình sau:

= W

M

dV DP = S.dt m. ( R b + R v )

Y

= W

dV = S.dt

DP V   m.  X 0 .r0 . + R v  S  

(2.26)

KÈ

Giải phương trình vi phân (2.26) với DP = const sẽ nhận được:

Y

DẠ

Đặt:

2

1 V  V  DP.t .X 0 .r0 .   + R v .   = 2 m S S

(2.27)

V 3 2 (m /m ): lượng nước lọc riêng, có nghĩa là thể S tích nước lọc thu được trên một đơn vị diện tích của q=

màng lọc. Từ phương trình (2.27) sẽ nhận được: 133

(2.28)

Rv DP = ; B , phương trình (2.28) được X 0 .r0 m.X 0 .r0

A Đặt: =

viết lại:

q2 + 2.A.q = 2.B.t

FI

Rv 2.DP.t .q = X 0 .r0 m.X 0 .r0

CI AL

q 2 + 2.

(2.29)

OF

Phương trình (2.29) gọi là phương trình lọc với (DP = const).

Từ (2.29) viết lại:

= t

1 2 A dt 1 A q + .q ⇒ = .q + 2.B B dq B B

(2.30)

ƠN

Phương trình (2.30) gọi là đường đặc tuyến của quá trình lọc với áp suất không đổi (DP = const).

NH

b) Lọc với tốc độ không đổi (W = const)

Tương tự như trên, giải phương trình vi phân (2.25) với W = const sẽ nhận được: DP V = const ⇒ = W.t V S   m.  X 0 .r0 . + R v  S   (2.31)

QU

dV = S.dt

Y

W=

2

V  V  DP.t X 0 .r0 .   + R v .   = m S S

KÈ

Đặt:

M

q=

Y DẠ

V 3 2 (m /m ): lượng nước lọc riêng, có nghĩa là thể tích S

nước lọc thu được trên một đơn vị diện tích của màng lọc.

A =

Rv DP = ; B , phương trình (2.32) được X 0 .r0 m.X 0 .r0

viết lại: q2 + A.q = B.t

Phương trình (2.33) gọi là phương trình lọc với (W = const).

Từ (2.33) viết lại:

134

(2.32)

(2.33)

1 2 A dt 2 A q + .q ⇒ = .q + B B dq B B

(2.34)

CI AL

= t

Phương trình (2.34) gọi là đường đặc tuyến của quá trình lọc với tốc độ không đổi (W = const).

FI

c) Lọc với tốc độ, áp suất thay đổi (DP  const; W  const) Từ phương trình (2.25) được viết lại như sau:

(2.35)

Hay:

 X .r  DP d  0 0 .q 2 + R v .q  = .dt  2  m

(2.36)

OF

 X .r  V 2  V   DP d  0 0 .   + R v .    =.dt  2 S  S   m 

t

∫ 0

DP .dt m

NH

X 0 .r0 2 .q + R v .q = 2

ƠN

Phương trình lọc trong trường hợp này được xác định như sau:

t

Rv 2 DP.dt .q Tương đương: q + 2. = m.X 0 .r0 X 0 .r0 2

(2.37)

∫

(2.38)

0

QU

Y

Với: DP là động lực quá trình lọc phụ thuộc vào thời gian lọc t, tùy theo mối quan hệ này mà có thể tính toán quá trình lọc cho trường hợp này.

DẠ

Y

KÈ

M

d) So sánh quá trình lọc với tốc độ, áp suất không đổi

Hình 2.3. Đồ thị phương trình học, khi A = B = 1 135

CI AL

Từ phương trình (2.29) lọc với áp suất không đổi, (2.33) lọc với tốc độ không đổi.

Cho A = 1, B = 1 và biểu diễn các phương trình này trên đồ thị với t = f(q), kết quả sẽ nhận được ở Hình 2.3.

FI

Rõ ràng cùng một thời gian lọc t (s) thì lọc với áp tốc độ không đổi lượng nước lọc thu được là q1 (m3/m2), còn lọc với áp suất không đổi thì nước lọc thu được là q2 (m3/m2).

OF

Với q1 < q2 nên lọc với áp suất không đổi đạt hiệu quả hơn so với lọc với tốc độ không đổi.

2.1.2. Phương pháp ly tâm

ƠN

Các máy dùng để phân chia các hệ không đồng nhất trong trường ly tâm được gọi là máy ly tâm và máy phân ly. Khác với máy ly tâm, máy phân ly có yếu tố phân ly cao, bề mặt kết tủa phát triển, mức độ phân chia các hệ phân tán cao nên năng suất rất lớn đến 300 m3/h.

QU

Y

NH

Các hệ phân tán thô thường được phân chia dưới tác động của trọng lực. Tuy nhiên khi tỷ trọng của các cấu tử có độ chênh lệch nhỏ và độ nhớt của chất lỏng không đồng nhất cao thì sự lắng xảy ra rất chậm. Do ứng suất của trường lực ly tâm quán tính lớn hơn nhiều lần ứng suất của trường trọng lực, cho nên việc phân chia dưới tác động của trường ly tâm xảy ra rất nhanh và hoàn toàn.

M

Phương pháp ly tâm dựa trên cơ sở tác động của trường ly tâm tới hệ không đồng nhất gồm hai hoặc nhiều pha. Ly tâm các hệ chất lỏng không đồng nhất được thực hiện bằng hai phương pháp: lọc ly tâm qua tường đột lỗ của rôto, vách lọc được đặt ở phần trong của rôto (máy ly tâm lọc) và qua rôto lắng có đoạn ống liền (máy ly tâm lắng).

KÈ

Đồng thời các máy ly tâm tổng hợp kết hợp cả hai nguyên tắc phân chia lắng - lọc cũng được sử dụng.

DẠ

Y

Khi tách huyền phù trong các máy ly tâm lọc ở trong rôto, dưới tác động của lực ly tâm chất lỏng được lọc qua vải lọc hay lưới kim loại, đồng thời các tiểu phần pha rắn bị lắng xuống; chất lỏng qua sàng và sau đó qua lỗ trong rôto, xối mạnh vào tường của máy ly tâm, còn cặn được tháo ra trong thời gian rôto quay hoặc là sau khi máy ngừng.

136

FI

CI AL

Khi phân chia các huyền phù trong các máy ly tâm lắng, các tiểu phần rắn có tỷ trọng lớn hơn tỷ trọng cấu tử chất lỏng được lắng xuống (dưới tác động của lực ly tâm trong đoạn ống rôto) tạo thành lớp vòng khuyên. Cấu tử lỏng cũng tạo thành lớp vòng khuyên nhưng nằm gần trục quay hơn, chất lỏng trong được dẫn ra ngoài qua mép tràn hay nhờ ống hút; cặn được tháo ra theo hành trình xả hay sau khi thiết bị ngừng. Việc phân chia nhũ tương xảy ra tương tự: ở tường rôto tạo ra lớp chất lỏng nặng, còn gần trục quay - lớp chất lỏng nhẹ.

OF

Phân loại các máy ly tâm Các máy ly tâm công nghiệp được chia ra:

ƠN

- Theo nguyên tắc phân chia - kết tủa, phân chia (phân ly), lọc và tổng hợp.

- Theo đặc tính tiến hành quá trình ly tâm - chu kỳ và liên tục.

NH

- Theo dấu hiệu về kết cấu - nằm ngang (có trục nằm ngang), nghiêng (có trục nghiêng) và đứng.

- Theo phương pháp thải cặn ra khỏi rôto.

Y

Khi sản xuất các chất hoạt hoá sinh học thường sử dụng các máy ly tâm tác động chu kỳ, thải cặn bằng cơ khí hoá hay thủ công, còn khi sản xuất lớn - các máy ly tâm tự động hoá tác động liên tục.

QU

Khi lựa chọn các máy ly tâm cần phải dựa vào các đặc tính công nghệ của chúng và các tính chất lý học của vật liệu đem gia công (độ phân tán của pha rắn, độ nhớt của pha lỏng và nồng độ của nó).

KÈ

M

Nồng độ huyền phù bằng tỷ số giữa lượng pha rắn và tổng lượng huyền phù. Nồng độ huyền phù có thể thể hiện bằng phần trăm theo khối lượng hay phần trăm theo thể tích. Hiệu nồng độ giữa pha rắn và pha lỏng càng lớn thì năng suất của máy ly tâm lắng càng cao.

2.1.2.1. Phương pháp ly tâm lắng

Y

- Sơ đồ nguyên lý của máy ly tâm lắng xem ở Hình 2.4.

DẠ

- Máy ly tâm lắng là một thiết bị hình trụ quay xung quanh đường tâm của mình với vận tốc góc là w (rad/s), thiết bị hình trụ có thể đặt nằm ngang hoặc thẳng đứng và được gọi là rôto của máy ly tâm.

137

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

- Cho dịch huyền phù vào máy ly tâm lắng, khi máy ly tâm làm việc, dưới tác dụng của lực ly tâm các hạt huyền phù có kích thước lớn sẽ được bắn ra và bám vào thành của thùng ly tâm tạo thành một lớp bã song song với thành thiết bị hình trụ. Bề mặt thoáng của dịch huyền phù trong thiết bị thông thường là mặt parabol khi tốc độ rôto nhỏ (n1, v/s), nếu tốc độ tăng dần thì mặt parabol càng lõm (n2, v/s), nếu tốc độ rôto đạt cực đại (n3, v/s) thì nó sẽ tạo thành bản mặt song song với thành thiết bị, xem Hình 2.4.

Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý máy ly tâm

= Pmax

KÈ

M

- Khi làm việc, tốc độ rôto phải đạt tới giá trị cực đại, bỏ qua cột áp thủy tĩnh thì áp suất lớn nhất tác dụng lên thành thiết bị được xác định. rh .w2 . R 2 - R 02 2

(

)

(2.39)

DẠ

Y

Với: R, R0 (m) là bán kính trong của rôto và bán kính bề mặt thoáng của chất lỏng trong rôto.

138

rh (kg/m3) khối lượng riêng của huyền phù.

h (m) là chiều cao ban đầu của chất lỏng.

H (m) là chiều cao của thiết bị.

b = h/H là hệ số chứa đầy. = R 0 R. 1 - b , m

(2.40)

CI AL

- Đối với máy ly tâm nằm ngang thì bề mặt thoáng trong rôto là một vòng tròn tâm O1, cách O2 một khoảng lệch tâm e, được xác định theo công thức sau: g ,m w2

FI

e=

(2.41)

- Yếu tố phân ly: 2 + Lực ly tâm: Flt = m.w .R tb , N

R tb = = f

Flt m.w2 .R tb w2 .R tb = = Ptr m.g g

QU

R + R0 2

Y

Với:

NH

+ Lực trọng trường: Ptr = m.g, N

ƠN

 1- b  R x = . 2 , m  b  w

OF

- Trọng tâm của khối huyền phù đặt tại O cách O2 tâm của rôto một khoảng là x, được xác định:

Với:

(2.42)

(2.43) (2.44) (2.45) (2.46)

f gọi là yếu tố phân ly.

- Năng suất thiết bị lắng:

9.p.r.J  R 4 + 3.R 04  R  Vs = p.R .h =  - R 2 .R 02 - R 04 .ln  0   2.m  4  R 

KÈ

M

2

(2.47)

Với:

J là độ nghiêng thủy lực của dòng chảy.

r (kg/m3) khối lượng riêng của pha liên tục.

m (N.s/m2) là độ nhớt tuyệt đối của pha liên tục.

DẠ

Y

- Tốc độ lắng cực đại:

Wmax =

d 2 . ( rr - r ) .w2 .R 18.m

(2.48) 139

d (m) là đường kính hạt rắn (huyền phù).

rr (kg/m3) khối lượng riêng của pha phân tán.

CI AL

Với:

- Thời gian lắng:

t=

 R , s 18.m .ln   2 d . ( rr - r ) .w  R0 

(2.49)

2

FI

- Bề mặt lắng của rôto: 2.1.2.2. Phương pháp ly tâm lọc

(2.50)

OF

F = p.D.H, m

- Sơ đồ nguyên lý của thiết bị ly tâm lọc (hay lọc trong trường lực ly tâm), hình 2.5.

ƠN

- Lọc bằng trường lực ly tâm được tạo ra bằng cách cho thùng ly tâm hình trụ mà ở thành là màng lọc quay xung quanh đường tâm của mình, tương tự như quá trình ly tâm lắng.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

- Nguyên lý làm việc. Khi rôto quay nhờ động cơ điện đạt tới tốc độ cực đại, dưới tác dụng của lực ly tâm sinh ra áp suất tác dụng lên thành hay màng lọc làm cho dịch huyền phù được ép lên màng lọc, lớp bã lọc tạo thành mặt song song với thành của thùng ly tâm để thực hiện quá trình lọc, nước lọc sau khi qua màng lọc được chứa ở thùng thiết bị cố định ở bên ngoài thùng ly tâm và được tháo ra ngoài.

140

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý máy ly tâm lọc

F= G h .w2 .R lt

(2.51)

- Diện tích bề mặt màng lọc:

S = p.2.R.H = p.D.H

(2.52)

- Áp suất lọc ly tâm:

Với:

OF

Flt G h .w2 .R G h .w2 DPL = = = S 2.p.R.H 2.p.H

FI

CI AL

- Lực ly tâm cực đại tạo thành tại thành rôto bán kính R (đường kính D = 2.R), được xác định:

(2.53)

Gh (kg) khối lượng huyền phù phủ trong rôto.

(

)

Từ (6.68) có thể viết lại:

ƠN

G h =rh .Vh =rh .p. R 2 - R 02 .H

NH

G .w2 .R rh .Vh .g w2 .R DPL = h = =DP.f .

S S g r .V .g DP = h h là áp suất thủy tĩnh, (Pa).

S

Với:

w2 .R : là yếu tố phân ly. g

(2.55) (2.56) (2.57)

Y

f=

(2.54)

QU

2.1.2.3. Một số loại máy ly tâm - Máy ly tâm dạng lắng và dạng lọc

KÈ

M

Các máy ly tâm thuộc dạng này được bịt kín, có thiết bị điện an toàn và thải cặn ở phía trên bằng phương pháp thủ công. Dẫn động máy ly tâm được thực hiện từ động cơ qua truyền động bằng dây đai hình thang. Trong các máy loại này có khóa liên động cho động cơ và nắp vỏ khi giảm áp suất khí trơ trong các khoang vỏ dưới 1470 Pa. Các chi tiết của máy tiếp xúc với sản phẩm được chế tạo bằng thép 12X18H10T.

DẠ

Y

Trong công nghiệp vi sinh, máy ly tâm đứng có kích thước nhỏ được sử dụng rộng rãi do độ kín và tính an toàn cao. Loại này rất thuận lợi cho nhiều quá trình tách và làm sạch một lượng vừa phải các chất hoạt hoá sinh học.

141

- Máy ly tâm ống (máy ly tâm siêu tốc)

FI

CI AL

Để làm trong các huyền phù có chứa một lượng không đáng kể các tạp chất rắn có độ phân tán cao, để tách các tạp chất rắn có độ phân tán cao và các nhũ tương thường sử dụng máy ly tâm siêu tốc. Khi làm trong huyền phù có chứa pha rắn có độ phân tán cao hơn 1% thì các máy ly tâm siêu tốc được hoạt động theo chu kỳ và tháo cặn bằng phương pháp thủ công. Khi tách nhũ tương thì các máy ly tâm siêu tốc hoạt động liên tục.

M

QU

Y

NH

ƠN

OF

Bộ phận kết cấu quan trọng của máy ly tâm siêu tốc thuộc loại OTP và PTR là loại rôto ống. Máy siêu âm cao tốc (Hình 2.6) được lắp đặt trên bệ bằng gang 8, đồng thời cũng là vỏ để bảo vệ máy và nó gồm rôto 9, đỉnh dẫn động 2 được nối với trục, bộ hãm và các khớp nối để thu nhận và tháo chất lỏng 4 và 7. Đầu trên của rôto được nối với đỉnh dẫn động qua trục, còn đầu dưới thì tỳ tự do vào ống dẫn hướng, cho phép trung tâm quay của rôto luôn ở hướng trọng tâm vì đáy rôto chuyển dời vào vị trí trọng tâm.

KÈ

Khả năng chuyển dời tự do được giảm đến Hình 2.6. Máy ly tâm ống tối thiểu nhằm giảm sự nguy hiểm khi xuất hiện ứng lực lớn trong các ổ bi và loại trừ rung động gây ra sự phá huỷ cân bằng.

DẠ

Y

Bên trong rôto lắp cánh quạt 5 để truyền tốc độ góc của rôto cho chất lỏng. Phớt chắn 3 ở dưới có lỗ trung tâm để thu nhận chất lỏng. Ly tâm siêu tốc dạng ống làm việc với số vòng quay của rôto từ 8000 đến 45000 vòng/phút. Dẫn động máy ly tâm được thực hiện từ động cơ 1 nằm ở

142

CI AL

phần trên của máy, qua truyền động dây đai dẹt có cơ cấu căng đai dạng con lăn ép 10.

Khi máy hoạt động, huyền phù qua vòi phun của ống nạp liệu vào phần dưới của rôto và khi quay cùng rôto huyền phù sẽ chảy theo tường của nó theo hướng dọc trục.

ƠN

OF

FI

Theo mức độ chuyển động dọc theo rôto, huyền phù bị phân lớp tương xứng với tỷ trọng của các phần trong thành phần chất lỏng. Khi đó tiểu phần rắn trong trạng thái lơ lửng bị tách ra khỏi chất lỏng, và bị lắng trên tường rôto, còn chất lỏng qua lỗ trên ở đầu rôto được đưa vào ngăn rót, và sau đó vào thùng chứa. Nhờ không xảy ra biến đổi đáng kể hướng chuyển động của chất lỏng và những dòng xoáy rối, nên loại trừ được khả năng tái xâm nhập của các tiểu phần vào huyền phù. Khi kết thúc sự phân chia, máy được dừng lại nhờ bộ hãm 6, tháo rôto cùng cặn, thiết lập sự an toàn và lặp lại chu kỳ hoạt động.

NH

Ly tâm nhũ tương tiến hành như sau: nhũ tương theo ống tiếp liệu vào phần dưới của rôto và theo mức độ chuyển động lên, trên được phân ra thành những cấu tử nặng và nhẹ. Cấu tử nặng sẽ qua các lỗ được phân bổ ở tường rôto rồi vào đĩa rót ở dưới và tiếp tục qua đoạn ống để đưa ra ngoài.

Y

- Máy ly tâm lắng nằm ngang có bộ tháo chất lắng bằng vít tải

M

QU

Máy ly tâm lắng nằm ngang ứng dụng để phân chia huyền phù có hàm lượng thể tích pha rắn từ 1 đến 40%, có kích thước các tiểu phần lớn hơn 2 ÷ 5 μm và sai khác giữa tỷ trọng pha rắn và lỏng lớn hơn 200 kg/ m3. Theo chức năng công nghệ, các máy ly tâm được chia ra làm ba nhóm: làm trong và phân cấp, lắng vạn năng và lắng bằng phương pháp khử nước.

DẠ

Y

KÈ

Ly tâm làm trong ứng dụng để tinh chế huyền phù có pha rắn phân tán cao với nồng độ thấp, để tinh chế huyền phù khỏi các tiểu phần có kích thước lớn hơn 5 μm trước khi nạp chúng đến các máy phân ly kiểu đĩa và máy phân ly siêu tốc và đồng thời để làm giảm nồng độ pha rắn trong huyền phù.

Các máy ly tâm làm trong và phân cấp có yếu tố phân chia lớn hơn 2500 và tỷ số giữa chiều dài hoạt động của rôto và đường kính là 1,6 ÷ 2,2.

Các máy ly tâm lắng vạn năng được ứng dụng để phân chia huyền phù có nồng độ pha rắn nhỏ và trung bình. Khi đó nhận được chất lỏng 143

CI AL

nguyên chất và chất lắng có độ ẩm không lớn. Yếu tố phân chia bằng 2000 ÷ 3000, tỷ số giữa chiều dài hoạt động của rôto và đường kính 1,6 ÷2,2.

FI

Ly tâm lắng bằng phương pháp khử nước được ứng dụng để phân chia các huyền phù thô có nồng độ cao. Tính theo chất rắn loại này có năng suất lớn, đồng thời chất rắn nhận được có độ ẩm không lớn lắm. Yếu tố phân chia nhỏ hơn 2000, tỷ số chiều dài hoạt động của rôto và đường kính không lớn hơn 2.

NH

ƠN

OF

Máy ly tâm lắng nằm ngang có rôto nằm ngang hình xilanh - nón 8, bên trong được lắp vít tải 7. Vít tải và rôto cùng quay một chiều, nhưng với số vòng quay khác nhau.

Y

Hình 2.7. Máy ly tâm vít tải

QU

1- Cơ cấu ngưng máy khi quá tải; 2- Cửa tháo; 3- Vỏ có các vách bên trong, 4- Cống nạp liệu; 5, 10- Bệ tựa rôto; 6- Khoang để tháo chất lỏng “nguyên chất”; 7- Vít tải; 8- Rôto xilanh - nón; 9- Khoang để tháo cặn; 11- Bộ truyền động

DẠ

Y

KÈ

M

Vít tải vận chuyển chất lắng dọc theo rôto đến cửa tháo 2 nằm trong phần thắt lại của rôto. Rôto được lắp cố định trên hai bệ tựa 5 và 10 và được quay nhờ động cơ và truyền động bằng đai hình thang. Dẫn động vít tải được thực hiện từ rôto của máy ly tâm qua bộ truyền động 11. Vỏ bao phủ lấy rôto, có các vách ngăn 3 tạo ra các khoang để tháo chất lắng 9 ra khỏi khoang, để tháo chất lỏng “nguyên chất “ 6. Trong trường hợp quá tải thì cơ cấu an toàn 1 sẽ hoạt động làm ngừng máy đồng thời nạp các tín hiệu ánh sáng và báo động. Khi máy hoạt động, huyền phù nạp theo ống 4 vào khoang trong của vít tải rồi qua cửa tháo

144

CI AL

2 để vào rôto. Dưới tác động của lực ly tâm, huyền phù được phân chia và các tiểu phần của pha rắn được lắng trên tường của rôto. Chất lỏng trong chảy vào cửa rót, tràn qua ngưỡng rót và được tháo ra khỏi rôto. Đường kính của ngưỡng tràn được điều chỉnh bởi van điều tiết. Hoạt động của máy ly tâm được điều chỉnh bởi số vòng quay của rôto bằng cách thay đổi đường kính bánh đai, thay đổi tốc độ nạp huyền phù và thay đổi giá trị đường kính của ngưỡng tràn.

FI

-

Các máy ly tâm lắng tự động có dao tháo cặn

OF

Để tách các huyền phù khó lọc có pha rắn gồm những hạt nhỏ với kích thước 5 ÷ 40 μm không hoà tan và có nồng độ thể tích 10% thường sử dụng các máy ly tâm lắng dạng kín có dao tháo cặn. Máy ly tâm dạng lắng tự động có rôto ngang, lắp cố định trong các ổ bi lắc.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

Trên nắp ly tâm được lắp ống nạp liệu, cơ cấu cắt chất cặn, phễu tháo liệu, bộ điều chỉnh mức lớp chất liệu và chuyển hành trình của dao. Máy ly tâm được trang bị thêm các cơ cấu tháo chất lỏng đã được làm trong, gồm ống tháo có xi lanh thuỷ lực và van tiết lưu để điều chỉnh tốc độ quay của ống tháo.

Hình 2.8a. Máy ly tâm lắng tự động 145

CI AL

Có thể phân chia huyền phù bằng hai phương pháp. Phương pháp thứ nhất: huyền phù được nạp đầy vào rôto, sau đó phân chia hỗn hợp, tháo pha rắn qua ống tháo, rồi sau đó tháo pha lỏng đã được làm trong. Việc nạp huyền phù sẽ được dừng lại một cách tự động sau khi đạt được mức cặn quy định, tiếp theo tiến hành vắt. Dùng dao quay tròn hay chuyển động tịnh tiến để cắt chất cặn đã được vắt khô và cho qua phễu chứa để thải khỏi thiết bị.

OF

FI

Phương pháp thứ hai như sau: huyền phù cho vào rôto một cách liên tục, pha rắn được gom lại trong rôto, còn pha lỏng được làm trong rồi cho chảy tràn qua mép và được tháo ra khỏi máy. Sự nạp liệu cho máy ly tâm được tiếp tục cho đến khi rôto chứa đầy cặn. Pha lỏng còn lại sẽ qua ống tháo để tháo ra khỏi rôto

KÈ

M

QU

Y

NH

ƠN

Khi phân chia các sản phẩm dễ nổ cần phải nạp khí trơ vào vỏ máy ly tâm.

Hình 2.8b. Máy ly tâm lắng tự động

DẠ

Y

B- Nạp huyền phù; C- Tháo chất lỏng đã được làm trong; D- Tháo chất lỏng nguyên chất; E- Thảinước rò rỉ; F- Thải hơi ra khỏi vỏ; GThải chất lắng; H- Nạp khí trơ; I- Nạp chất lỏng để rửa cặn;K- Thải khí; L- Nạp nước vào đệm kín; M- Thải nước ra khỏi đệm kín

146

- Máy ly tâm lọc và ly tâm lắng kiểu treo có dẫn động ở trên

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

Loại này sử dụng để gia công huyền phù có pha rắn hoà tan và không hoà tan, đặc biệt là để gia công acid ascorbic. Dùng dao để cắt chất cặn trong máy khi giảm số vòng quay của rôto. Các bộ phận kết cấu chung của máy ly tâm kiểu treo gồm rôto đứng và trục cọc sợi, đầu trên của trục được lắp vào gối hình cầu. Gối hình cầu được đặt cao hơn trọng tâm của hệ quay và là hệ của các ổ lắc nằm trong cốc, được tựa tự do trên bề mặt cầu của vỏ bọc bộ dẫn động. Lắp vỏ của bộ dẫn động trên thanh thép dọc hình chữ U. Dẫn động được thực hiện từ động cơ nối với trục máy ly tâm qua khớp đàn hồi. Nạp huyền phù từ trên vào máy ly tâm lọc khi số vòng quay rôto giảm, sau đó tăng số vòng quay đến trị số lớn nhất, vắt, rửa và lại vắt chất lỏng. Trong các máy ly tâm lắng, huyền phù được nạp vào khi tốc độ quay của rôto hoạt động. Dùng phanh đai gắn trong mũ của bộ dẫn động để hãm máy ly tâm, cũng như dùng động cơ điện có kết cấu cho phép hãm khi quay ngược chiều. Vỏ cũng là thùng để đựng phần lọc, từ đó được tháo ra qua khớp nối nằm dưới đáy thùng. Máy ly tâm dạng Φ không được bịt kín, chúng được trang bị rôto có gờ trên đột lỗ, bộ điều chỉnh mức tải trọng rôto.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

Máy ly tâm được trang bị thêm áo hơi để đun nóng. Chất liệu cho rôto lắng một cách liên tục qua ống nạp liệu có vòi phun. Chất lọc được tháo ra khỏi rôto một cách liên tục qua ống thải di động, còn cặn (đạt được lớp bề dày lớn nhất) thì tháo gián đoạn vào thùng chứa khi giảm số vòng quay của rôto đến 100 vòng/phút.

147

CI AL FI OF ƠN NH Y QU M KÈ

Hình 2.9. Máy ly tâm dạng Ô

- Máy ly tâm dạng Ô

DẠ

Y

Loại này được sử dụng để phân chia các huyền phù mà pha rắn của chúng không thể tách được bằng phương pháp cơ học. Tháo cặn qua đáy rôto. Các cửa tháo cặn được đóng kín nhờ côn khoá hay đậy kín bằng đĩa phân phối.

148

Máy ly tâm dạng ΦÔ-120 (-1200):

CI AL

1- Ống nối dưới của vỏ; 2- Các trục đỡ; 3- Cơ cấu để hấp; 4- Cơ cấu rửa; 5- Cơ cấu khoá chuyền của nắp; 6- Nắp vỏ; 7- Khu các ổ trục; 8- Khu dẫn động; 9- Động cơ điện; 10- Khớp nối bằng cao su; 11- Phanh đai; 12- Bộ giảm xóc bằng cao su; 13- Khu dẫn động; 14- Trục; 15- Khoá điều khiển; 16- Vỏ; 17- Rôto; 18- Côn khoá; 19- Đáy vỏ; 20- Khớp tháo; 21- Bộ phân tụ.

KÈ

M

QU

Y

NH

- Máy ly tâm kiểu chống nổ

ƠN

OF

FI

Huyền phù được nạp vào khi nắp trên đóng kín, có số vòng quay của rôto 333 vòng/phút, côn khoá hạ xuống và huyền phù được đẩy đến đĩa phân phối làm tăng khả năng phân bổ đều huyền phù trong rôto. Sau khi tháo liệu thì tăng dần số vòng quay của rôto đến 1000 vòng/phút. Kết thúc quá trình vắt và rửa cặn thì cho máy ngừng lại, nâng côn khoá và cặn được tháo ra qua đáy rôto. Tải trọng lớn nhất của máy ly tâm 450 kg với yếu tố phân chia cực đại 670.

Y

Hình 2.10. Máy ly tâm tự động dạng Φ Ê - 1254 K- 7 kiểu chống nổ

DẠ

1- Ống nạp liệu ; 2- Bộ điều chỉnh mức cặn; 3- Phễu tháo; 4- Ống ghép; 5- Cơ cấu tái sinh các lưới lọc; 6- Nắp phía trước; 7- Cơ cấu tháo cặn; 8- Rôto; 9- Bàn chải (chổi); 10- Khoang sau của vỏ 149

CI AL

Khi sản xuất các chất hoạt hoá sinh học trong các giai đoạn tách, thường sử dụng các dung môi hữu cơ. Cho nên sự phân chia các hệ như thế cần phải tiến hành trong các máy ly tâm được sản xuất ở dạng chống nổ.

Các máy ly tâm thuộc các dạng Ể, Ê và ΦÂ được sử dụng rộng rãi nhất.

FI

Các máy ly tâm thuộc các dạng Ể-353K-2 và 353K-9 được chế tạo bằng thép không gỉ 12X18H10T rất thuận tiện để tách các huyền phù dễ cháy và dễ nổ.

OF

Máy ly tâm tự động dạng ΦÊ-1254K-7 được dùng để tách các hoạt chất hoá sinh học bị kết tủa bởi các dung môi hữu cơ. Chúng được sử dụng để trích ly huyền phù trong một khoảng rộng của độ phân tán và nồng độ của pha rắn với kích thước khác nhau của các hạt. Máy ly tâm hoạt động dưới áp suất 3,8 kPa có thổi khí trơ.

NH

ƠN

Máy ly tâm ΦÊ-1254K-7 lắp đặt trên bệ gang và gồm có vỏ, cụm van chính và động cơ thuỷ lực. Bên trong vỏ có rôto 8, được lắp trên trục chính, trục chuyển động được nhờ động cơ và bộ truyền dẫn đai hình thang, cửa 6 được kẹp chặt bản lề trên bệ để đóng kín vỏ. Ở phần trên của vỏ có các đoạn ống để xả hơi và thổi khí trơ, còn phần dưới - các đoạn ống để tháo chất lọc và van tháo dung dịch rửa.

KÈ

M

QU

Y

Trên nắp có gắn dao quay, bộ điều chỉnh tải trọng rôto, các đoạn ống để rửa cặn và các thiết bị lọc. Van nạp liệu và đồng hồ đo chuyển động của huyền phù được nối với ống nạp liệu, còn van rửa máy và van rửa lưới lọc thì nối với ống rửa. Số vòng quay của rôto khi rửa bằng 70 ÷ 80 vòng/phút và được đảm bảo bởi bộ dẫn động phụ, gồm thiết bị dẫn động thuỷ lực có khớp trục một chiều và trạm bơm dầu. Mở dẫn động phụ chỉ sau khi ngừng dẫn động chính. Huyền phù nạp vào rôto qua van nạp liệu và được điều chỉnh nhờ bộ điều chỉnh tải trọng. Sau khi tách pha lỏng khỏi sản phẩm rắn, có thể tiến hành rửa sản phẩm bằng chất lỏng được đưa qua van và ống rửa. Dùng dao có cơ cấu cắt đê cắt cặn và sau đó cho qua máng để vào thùng nhận.

DẠ

Y

Thời gian thao tác lọc, vắt, rửa và tái sinh lưới lọc được xác định nhờ rơle thời gian.

Máy ly tâm dạng ΦÂ-603-2 là thiết bị kín, chống nổ, tác động tuần hoàn với động cơ được lắp đồng trục với trục của rôto. Tất cả các cụm cơ

150

CI AL

bản của máy đều được lắp trên khung treo nhờ các thanh đỡ ở trên ba trụ.

Rôto quay được nhờ động cơ nối với trục qua khớp nối ly hợp khởi động. Để dừng rôto nhanh chóng và êm, máy cần lắp bộ hãm tự động. Nắp vỏ và cơ cấu đóng kín được tự động hoá và có thể mở ra chỉ sau khi dừng hẳn.

OF

FI

Nạp huyền phù theo ống qua cơ cấu ép nén để phân bổ đều. Sức chứa của rôto 0,08 m3, tải trọng lớn nhất 100 kg. Áp suất hoạt động của khí trơ 2,94 KPa. Số vòng quay lớn nhất của rôto 1450 vòng/phút, yếu tố phân chia cực đại 945. Công suất của động cơ 5,5 kW. Kích thước cơ bản 1375×1415× 1635 mm. Vật liệu của các bộ phận tiếp xúc với sản phẩm thép cacbon được phủ chất dẻo. Máy có trang bị bộ điều khiển.

2.2. PHÁ VỠ TẾ BÀO

NH

ƠN

Tế bào chất được tạo thành từ acid nucleic, protein, carbohydrate, chất béo, các enzyme, các ion vô cơ, vitamin, sắc tố và khoảng 80% nước. Để cô lập và trích xuất và các chất từ bên trong tế bào, điều cần thiết là phá vỡ thành tế bào và màng nguyên sinh chất. Trong một số trường hợp các tế bào có thể bài tiết các chất mong muốn (sản phẩm ngoại bào), nhưng trong nhiều trường hợp, các tế bào phải được phá vỡ để giải phóng các chất này (sản phẩm nội bào).

Y

Do đó, mục tiêu của phá vỡ tế bào là:

QU

- Giải phóng mức tối đa sản phẩm trong tế bào trong khi vẫn duy trì hoạt động sinh học tối đa của chúng.

M

- Để tránh thay đổi thứ cấp của sản phẩm mà sẽ làm mất giá trị của chúng, ví dụ như, biến tính, phân giải protein và quá trình oxy hóa.

KÈ

2.2.1. Dùng sóng siêu âm phá vỡ tế bào 2.2.1.1. Khái niệm

DẠ

Y

Sóng siêu là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần tử trong không gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe được của con người. Sóng siêu âm có bản chất là sóng dọc hay sóng nén, nghĩa là trong trường siêu âm các phần tử đi dọc theo phương cùng với phương truyền của sóng.

151

CI AL FI OF

Hình 2.11. Phạm vi tần số sóng siêu âm

ƠN

Sử dụng sóng siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm ngày càng được khảo sát tỉ mỉ. Phần lớn các nghiên cứu đều áp dụng tần số sóng trong khoảng (20 – 40) kHz.  Ưu điểm:

NH

- Có thể tiến hành phá vỡ nhiều mẫu có thể tích nhỏ cùng một lúc. ] Nhược điểm:

Y

- Những tế bào khó phá vỡ như bào tử cũng có thể phá vỡ được.

QU

- Nhiệt độ được tạo ra trong quá trình phá vỡ tế bào. Có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách luôn giữ lạnh hệ thống.

M

- Độ ồn cao. Hầu hết các thiết bị sử dụng sóng siêu âm đều yêu cầu người sử dụng bảo vệ tai.

KÈ

- Có khả năng gây biến đổi sản phẩm, do sự xuất hiện các gốc tự do trong quá trình phá mẫu, những gốc tự do này có thể phản ứng với hầu hết các phân tử sinh học.

- Giá thành cao.

Y

2.2.1.2. Nguyên tắc

DẠ

Phương pháp này sử dụng sóng âm thanh với tần số cao (>18 kHz) để phá vỡ tế bào. Sóng âm được tạo ra và được truyền đến mẫu nhờ một đầu dò bằng kim loại đặt trong mẫu, áp lực sóng gây ra sự tạo

152

CI AL

thành các vi bọt. Những vi bọt này lớn lên và bùng nổ mạnh. Sự bùng nổ này tạo ra sốc sóng đủ năng lượng để phá vỡ màng tế bào, thậm chí cả những liên kết cộng hóa trị. Các hiện tượng xảy ra trong quá trình siêu âm.

Hiện tượng xâm thực khí

l

ƠN

OF

FI

Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường chất lỏng, các chu trình kéo và nén liên tiếp được tạo thành. Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờ liên kết hóa học. Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần nhau hơn và chu trình kéo chúng tách xa ra. Áp lực âm trong chu trình kéo đủ mạnh để thắng các lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ. Bọt khí trở thành hạt nhân của hiện tượng xâm thực khí, bao gồm bọt khí ổn định và bọt khí tạm thời.

QU

Y

NH

Bọt khí ổn định là nguồn gốc của những bong bóng khí nhỏ, kích thước của chúng dao động nhẹ trong các chu trình kéo và nén. Sau hàng ngàn chu trình, chúng tăng thêm về kích thước. Trong suốt quá trình dao động, bọt khí ổn định có thể chuyển thành bọt khí tạm thời. Sóng siêu âm làm rung động những bọt khí này, tạo nên hiện tượng “sốc nóng” và hình thành dòng điện trong chất lỏng. bọt khí ổn định có thế lôi kéo các bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau tạo thành dòng nhiệt nhỏ.

DẠ

Y

KÈ

M

Các bọt khí tạm thời có kích cỡ thay đổi rất nhanh chóng, chỉ vài chu trình chúng bị vỡ ra. Trong suốt chu trình kéo nén, bọt khí kéo dãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được cân bằng hơi nước ở bên trong và bên ngoài bọt khí. Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình kéo lớn hơn chu trình nén, vì vậy sự khuếch tán khí trong chu trình kéo lớn hơn và kích cỡ bột khí cũng tăng lên trong mỗi chu trình. Các bọt khí lớn dần đến một kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ để duy trì pha khí khiến các bọt khí nổ tung dữ dội. Khi đó các phân tử va chạm với nhau mãnh liệt tạo nên hiện tượng “sốc sóng” trong lòng chất lỏng, kết quả là hình thành những điểm có nhiệt độ và áp suất cao (50000C và 5*104kPa) với vận tốc nhanh 106 0C/s.

153

CI AL FI OF

ƠN

Hình 2.12. Quá trình hình thành, phát triển và vỡ của bọt khí

Y

NH

Hiện tượng xâm thực khí mở đầu cho rất nhiều phản ứng do có sự hình thành các ion tự do trong dung dịch; thúc đẩy các phản ứng hóa học nhờ sự trộn lẫn các chất phản ứng với nhau; tăng cường phản ứng polymer hóa và depolymer hóa bằng cách phân tán tạm thời các phân tử hay bẻ gãy hoàn toàn các liên kết hóa học trong chuỗi polymer; tăng hiệu suất đồng hóa; hỗ trợ trích ly các chất tan; tách virus ra khỏi tế bào bị nhiễm; loại bỏ các phân tử nhạy cảm gồm cả vi sinh vật.

Hiện tượng vi xoáy

QU

l

KÈ

M

Sóng siêu âm cường độ cao truyền vào trong lòng chất lỏng sẽ gây nên sự kích thích mãnh liệt. Tại bề mặt tiếp xúc giữa hai pha lỏng/rắn hay khí/rắn, sóng siêu âm gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy. Hiện tượng này làm giảm ranh giới giữa các pha, tăng cường sự truyền khối đối lưu và thúc đẩy xảy ra sự khuếch tán ở một vài trường hợp mà khuấy trộn thông thường không đạt được.

2.2.1.3. Thông số của quá trình phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm

Y

- Tần số (Hz): là số dao động phần tử thực hiện được trong 1s.

DẠ

- Biên độ (Amplitude): biểu thị mức độ thay đổi áp suất (so với áp suất cân bằng của môi trường) trong quá trình dao động.

- Cường độ (Intensity, W/m2): năng lượng sóng siêu âm truyền

154

CI AL

trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm. Công thức I = P/S; Trong đó P là công suất của nguồn âm (m2).

OF

FI

- Mức cường độ âm (Sound pressure level, B): đại lượng được tính bởi công thức: L = lg(I/Io). Với I: cường độ âm tại điểm cần tính, Io: cường độ âm chuẩn (âm ứng với tần số f = 1000 Hz) có giá trị là 10-12 W/m2.

ƠN

Hình 2.13. Các khoảng tần số của sóng siêu âm 2.2.1.4. Thiết bị phát sóng siêu âm

Thiết bị phát sóng siêu âm gồm 3 bộ phận tối cần thiết sau:

NH

- Bộ phận chuyển phần lớn điện năng thành dòng điện xoay chiều tầng số cao để vận hành bộ phận biến đổi.

QU

Y

- Bộ phận biến đổi chuyển dòng điện xoay chiều tầng số cao thành những dao động. Phần lớn thiết bị phát sóng siêu âm ngày nay sử dụng kỹ thuật áp điện. Hình dạng và kích thước của bộ phận này phụ thuộc vào tầng số làm việc, bộ phận 20 kHz có chiều dài gấp đôi bộ phận 40 kHz. Năng lượng qua bộ biến đổi sẽ chuyển ngược lại thành bình phương tần số dao động, vì vậy thiết bị năng lượng cao tần số thấp được chú trọng.

DẠ

Y

KÈ

M

- Bộ phận biến đổi nối với hệ thống truyền sóng thông qua một số chi tiết phụ.

Hình 2.14. Thiết bị phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm 155

2.2.2. Dùng áp suất cao

CI AL

2.2.2.1. Nguyên tắc

OF

FI

Đây là phương pháp được ứng dụng rộng nhất để phá vỡ tế bào quy mô công nghiệp. Theo phương pháp này, huyền phù tế bào sẽ được nén với một áp suất cao, chúng va chạm rất mạnh vào thành ống, tế bào bị phá vỡ bởi lực cắt và sức nén. Tùy thuộc vào loại máy, công suất từ 50 – 5000 l/h mà áp lực có khác nhau. Phương pháp đồng hóa áp lực cao thường được áp dụng cho phá vỡ tế bào vi khuẩn, tế bào động vật và thực vật ít khi sử dụng phương pháp này.

Y

NH

ƠN

2.2.2.2. Phương pháp

QU

Hình 2.15. Mô hình mô phỏng thiết bị phá vỡ tế bào bằng áp lực cao

M

Các tế bào hoàn toàn bị phá vỡ và tất cả các vật chất nội bào được giải phóng. Máy pha trộn sử dụng áp suất cao bơm huyền phù qua một lỗ van hẹp sau đó ngay lập tức mở rộng thông qua lối ra vòi phun đặc biệt.

Toàn bộ tế bào bị phá vỡ thông qua:

KÈ

- Va chạm trên van.

- Chất lỏng ứng suất cắt cao trong áp suất lỗ giảm đột ngột khi xả, gây ra một vụ nổ của tế bào.

DẠ

Y

Trong những năm qua, nhiều kỹ thuật khác nhau đã được phát triển để phá vỡ tế bào. Một trong những tài liệu nghiên cứu đầu tiên về phá vỡ tế bào đã mô tả việc sử dụng một bình để giải phóng áp lực thông qua một van kim. Huyền phù được đặt trong các thùng chứa và bơm vào bình, bình

156

CI AL

được tạo áp lực lên đến 20.000 psi (137,9 MPa). Vật liệu thoát khỏi áp lực thông qua các van kim. Sự thay đổi áp lực gây ra sự gián đoạn của các tế bào. Loại này là một tiền thân của FRANCE ® Modern Laboratory Press (từ một phương pháp được phát triển bởi Tiến sĩ Pháp). Thiết bị này được nạp một lượng mẫu nhỏ nhưng có thể đạt được áp lực cao.

OF

FI

Tuy nhiên, không có công nghệ đặc biệt liên quan đến việc thiết kế van kim. Một vấn đề khác liên quan đến kỹ thuật này là nhiệt độ tăng cao trong mẫu sau khi đi qua van. Duerre và Ribi5 đã giải nhiệt qua van và loại bỏ nhiệt từ sản phẩm nhưng vẫn còn phát hiện sự biến tính protein, khi hoạt động trong khoảng 25.000 đến 55.000 psi (172,4379,3 MPa).

ƠN

Wimpenny 6 thấy rằng thành tế bào cầu khuẩn Gram âm và vi trùng lao là dễ phá vỡ nhất, và cầu khuẩn Gram dương và tảo Chlorella là phá vỡ khó khăn nhất.

QU

Y

NH

2.2.2.3. Sử dụng máy nghiền hạt

M

Hình 2.16. Hạt nghiền và máy nghiền hạt

Y

KÈ

Đây là phương pháp sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất enzyme. Trong quá trình nghiền, người ta thường sử dụng những viên bi thủy tinh có kích thước 0,2 – 1 mm để tăng quá trình phá vỡ tế bào. Trong nhiều trường hợp, người ta không dùng viên bi thủy tinh mà dùng hạt thủy tinh, vì hạt thủy tinh có độ ma sát cao hơn nên hiệu suất nghiền cao hơn.

DẠ

Phương pháp nghiền hạt sử dụng các máy tốc độ cao, huyền phù được bơm qua một buồng chứa các hạt và khuấy đĩa 3. Các đĩa chạy ở tốc độ 1.500-2.000 rpm, và gây ra sự phá vỡ tế bào bằng cách nghiền giữa các 157

CI AL

hạt, va chạm giữa các hạt và sinh vật, nhờ lực cắt do gradient vận tốc gây ra bởi các hạt chuyển động.

Hạt được nạp vào buồng chiếm 80 đến 85% của khối lượng tự do của khoang nghiền. Hạt thủy tinh có đường kính lớn hơn 0,5mm là tốt nhất cho nấm men, và hạt đường kính dưới 0,5 mm là tốt nhất để sử dụng cho phá vỡ tế bào vi khuẩn.

FI

Tuy nhiên, một số vấn đề cần chú ý khi sử dụng phương pháp này:

OF

- Nhiệt độ gia tăng cao - Sản phẩm dễ bị ô nhiễm bởi vật liệu hạt

- Khó phá vỡ các tế bào như nấm men, bào tử, và vi tảo,…

2.2.3. Sử dụng nén đông kết

ƠN

- Sử dụng được cho vi khuẩn, và mô thực vật và động vật.

QU

Y

NH

Phương pháp nén đông kết thường được sử dụng để phá vỡ tế bào vi khuẩn và tế bào động vật có vú. Kỹ thuật này sử dùng phương pháp đóng băng tế bào trong một băng khô/ngâm trong ethanol hoặc trong tủ đá, sau đó để rã đông ở nhiệt độ phòng hoặc 370C. Phương pháp này khiến các tế bào trương lên và cuối cùng bị phá vỡ nhờ các tinh thể băng được hình thành trong quá trình đóng băng và sau đó co lại trong thời gian tan băng.

Lặp lại nhiều chu kỳ để tăng hiệu quả và quá trình này có thể khá dài.

M

Tuy nhiên, nén đông kết đã được chứng minh có hiệu quả trong thu hồi protein tái tổ hợp nằm trong tế bào chất của vi khuẩn và được đề xuất cho việc làm tan vón tế bào động vật có vú.

2.2.4. Sử dụng phương pháp lytic hoặc phương pháp phi cơ học

KÈ

Các phương pháp phi cơ học bao gồm phương pháp hóa học và phương pháp enzyme (còn gọi là phương pháp hóa học và phương pháp sinh học).

Y

2.2.4.1. Phương pháp hóa học

DẠ

Là phương pháp dựa trên khả năng tạo ra áp suất thẩm thấu mạnh hoặc khả năng oxy hóa mạnh của các chất hóa học để phá vỡ thành tế bào.

Phương pháp này không đòi hỏi áp suất cao, nên ít chi phí và dễ thực hiện.

158

Các phương pháp hóa học để phân giải tế bào: Xử lý kiềm

l

CI AL

Tuy nhiên, vì trong quá trình thực hiện, người ta sử dụng các hóa chất nên các hóa chất này thường lẫn vào trong hỗn hợp, đòi hỏi quá trình tách rất phức tạp. Một trong những chất sử dụng nhiều là acetone.

OF

FI

Xử lý bằng kiềm được sử dụng thành công trong tách chiết ở quy mô nhỏ và lớn protein từ vi khuẩn. Ví dụ, enzyme trị liệu, L-asparaginase, được giải phóng khỏi Erwinia chrysanthemi bằng cách ủ tế bào ở pH 11,0 – 12,5 trong 20 phút. Thành công của phương pháp này nhờ vào khả năng ổn định của sản phẩm mong muốn. Giá trị pH cao có thể làm bất hoạt protease.

ƠN

Chất tẩy rửa

l

QU

Y

NH

Các chất tẩy, hoặc ion ví dụ như sodium lauryl sulphate hay còn gọi là sodium dodecyl sulfate, sodium cholate (anion) và cetyl trimethyl ammonium bromide (cation) hoặc không phải ion như Trixton X-100 hoặc X-450, hoặc Tween, được dùng để phân giải tế bào, thường có phối hợp với lysozyme. Các chất tẩy ion có hoạt tính mạnh hơn các chất tẩy không phải ion, và có thể dẫn đến sự biến tính của nhiều protein. Sự hiện diện của các chất tẩy cũng có thể ảnh hưởng đến các bước tinh sạch tiếp theo, đặc biệt kết tủa muối.

2.2.4.2. Phương pháp enzyme (phương pháp sinh học)

M

Có hai phương pháp hiện được sử dụng rộng rãi là phương pháp tự phân và phương pháp thủy phân bằng enzyme đưa từ bên ngoài vào.

DẠ

Y

KÈ

Phương pháp tự phân là phương pháp tạo điều kiện tối ưu cho một enzyme có khả năng phân giải cho một số thành phần cấu thành tế bào, các enzyme này phải là những enzyme có trong tế bào và là của tế bào đó.

Bình thường các enzyme này không hoạt động mạnh, nhưng nếu điều kiện nhiệt độ, pH, nước ở bên ngoài mà trùng với mức hoạt động của chúng, thì chúng sẽ hoạt động mạnh và thủy phân tế bào, làm chết tế bào. Tự phân là quá trình được áp dụng nhiều trong quá trình phá vỡ thành tế bào các loại nấm men. Người ta thường tiến hành quá trình tự phân huyền phù tế bào nấm men ở nhiệt độ 48 – 520C, trong thời gian 6 – 24h. Phương pháp này 159

CI AL

có nhiều nhược điểm vì trong quá trình thủy phân, các enzyme có trong tế bào không chỉ thủy phân các chất ở thành tế bào mà cả những chất có trong tế bào, thậm chí các enzyme cũng bị phá hủy. Phương pháp này hiện nay không được sử dụng nhiều trong công nghiệp.

QU

Y

NH

ƠN

OF

FI

Một phương pháp khác đang được nghiên cứu nhiều là phương pháp sử dụng enzyme từ ngoài tế bào. Các enzyme này được đưa vào huyền phù tế bào để tiến hành quá trình thủy phân các chất nhất định trong tế bào.

Người ta thường sử dụng hệ enzyme xellulase để phá vỡ thành tế bào nấm men và thành tế bào thực vật. Phương pháp này không gây hư hỏng các chất có trong tế bào và thực hiện dễ dàng trong mọi điều kiện (phòng thí nghiệm, sản xuất thử nghiệm, sản xuất công nghiệp). Ngoài ra người ta còn sử dụng lysozyme trong các loại tế bào khác. Lysozyme là một enzyme được sản xuất thương mại từ lòng trắng trứng gà, thủy phân các liên kết β-1,4-glycosidic trong mucopeptide12 của thành tế bào vi khuẩn. Các vi khuẩn Gram dương phụ thuộc vào mucopeptide của thành tế bào để trở nên rắn chắc dễ bị tổn thương nhất, nhưng sự đứt gãy cuối cùng của thành tế bào phụ thuộc vào hiệu quả thẩm thấu của đệm dịch huyền phù một khi thành tế bào bị cắt gãy. Khi phân giải của vi khuẩn Gram âm, ít khi người ta sử dụng một mình lysozyme, mà thường bổ sung thêm EDTA để tạo chelate với các ion kim loại sẽ dễ dàng làm tan tế bào (lysis). Mặc dù quá trình thao tác đơn giản và nhẹ nhàng, nhưng kỹ thuật này không được sử dụng cho việc tách chiết ở quy mô lớn các enzyme của vi khuẩn, có lẽ do giá thành tương đối cao của lysoyme và khả năng đưa vào các tác nhân gây nhiễm bẩn. Chỉ có trường hợp người ta dùng lysozyme ở quy mô lớn là để giải phóng aryl acylamidase Pseudomonas fluorescens.

M

2.3. PHƯƠNG PHÁP TÁCH HỖN HỢP CHẤT

KÈ

2.3.1. Phương pháp trích ly hai pha lỏng

Y

Phương pháp trích ly hai pha lỏng là quá trình rút chất hòa tan trong chất lỏng bằng một chất lỏng khác. Chất lỏng đó được gọi là dung môi trích ly.

DẠ

Dung môi trích ly phải thỏa mãn các điều kiện sau:

- Dung môi có tính hòa tan chọn lọc (hòa tan chất cần tách mà không hòa tan hoặc ít hòa tan các chất khác).

160

CI AL

- Khối lượng riêng của dung môi khác xa khối lượng riêng của dung dịch để quá trình trích ly được tiến hành dễ dàng.

- Dung môi phải có nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi của chất cần tách để tạo điều kiện cho quá trình hoàn nguyên dung môi.

Quá trình trích ly hai pha lỏng gồm 3 giai đoạn:

FI

- Dung môi phải không độc hại, không gây ăn mòn thiết bị, rẻ tiền, dễ kiếm.

OF

- Giai đoạn trộn lẫn hai lưu thể: dung môi và dung dịch, cấu tử phân bố chuyển từ dung dịch vào dung môi. Quá trình di chuyển vật chất tiến hành cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng giữa hai pha.

NH

ƠN

- Giai đoạn tách hai pha ra, hai pha này phân lớp và tách ra dễ dàng, một pha gọi là dung dịch trích ly gồm có dung môi và cấu tử phân bố, một pha gọi là raphinat gồm phần còn lại của dung dịch. Thường các cấu tử trong dung dịch và dung môi đều ít nhiều tan lẫn vào nhau vì thế trong hai pha đều có cả 3 cấu tử.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

- Giai đoạn hoàn nguyên dung môi: tách cấu tử phân bố ra khỏi dung dịch.

Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý trích ly 161

Các phương pháp trích ly theo đoạn:

ƠN

OF

FI

CI AL

- Trích ly theo một đoạn: quá trình thực hiện liên tục hay gián đoạn.

Hỗn hợp ban đầu và dung môi được trộn lẫn với nhau, quá trình truyền khối diễn ra giữa hai pha được tiến hành cho đến khi hệ cân bằng sau đó để hỗn hợp lắng và tách pha.

NH

Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý trích ly một đoạn

KÈ

M

QU

Y

- Trích ly theo nhiều đoạn giao dòng: quá trình cũng có thể thực hiện liên tục hay gián đoạn. Đây là sự kéo dài của quá trình trích ly một đoạn trong đó pha rafinat liên tục đi qua mỗi đoạn để được tiếp xúc với dung môi mới.

Hình 2.19. Sơ đồ nguyên lý trích ly nhiều đoạn

DẠ

Y

- Trích ly liên tục nhiều đoạn nghịch dòng: nguyên liệu ban đầu và dung môi đi ngược chiều nhau. Nguyên liệu đi vào đầu này còn dung môi đi vào đầu kia. Pha trích ly và pha rafinat đi liên tục, ngược chiều nhau qua mỗi đoạn.

162

CI AL

FI

Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý trích ly liên tục nhiều đoạn nghịch lưu

2.3.2. Phương pháp màng lọc

ƠN

OF

- Trích ly liên tục nghịch dòng có hoàn lưu: trong quá trình trích ly liên tục nghịch dòng, dòng sản phẩm trích ly có nồng độ lớn nhất khi đạt cân bằng với dòng nhập liệu. Việc sử dụng dòng hoàn lưu của pha trích ly làm pha trích ly có nồng độ cao hơn.

DẠ

Y

KÈ

M

QU

Y

NH

Phương pháp màng lọc là sử dụng màng lọc trong quá trình tách hỗn hợp hai pha lỏng. Một cách khái quát có thể coi màng lọc là một lớp chắn có tính thấm chọn lọc đặt giữa hai pha (pha đi vào và pha thấm qua). Trong quá trình tách, màng có khả năng lưu giữ một số cấu tử trong hỗn hợp và cho cấu tử khác đi qua. Quá trình vận chuyển qua màng được thực hiện một cách tự nhiên hay cưỡng bức nhờ động lực giữa hai phía màng. Các quá trình màng động lực áp suất chủ yếu gồm lọc thường, vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngược. Việc phân chia thành các quá trình màng dựa theo kích thước lỗ màng.

Hình 2.21. Sơ đồ nguyên lý màng lọc 163

CI AL

Nguyên lý của phương pháp màng lọc dựa trên sự phân tách các phân tử trong hỗn hợp pha lỏng qua lớp màng nhờ lực tác dụng. Lực tác dụng có thể là chênh lệch áp suất, hiệu điện thế, nồng độ dung dịch…

ƠN

OF

FI

Màng lọc được chế tạo từ vật liệu có nguồn gốc vô cơ như gốm nung chảy, các hợp chất carbon, silic, zicron hay từ nguồn gốc hữu cơ như cao su, vải amiang, acetat cellulose, polyethylene, polypropylene. Bề dày màng từ 0,05 – 2mm. Các lỗ nhỏ trên màng lọc được chế tạo bằng cách chiếu tia phóng xạ, lazer, các phản ứng hóa học,…trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp. Để đảm bảo nồng độ chất lỏng tuần hoàn trên bề mặt màng lọc, tránh hiện tượng phân cực nồng độ gây tắc, hỏng màng lọc, đồng thời tăng tối đa diện tích bề mặt tiếp xúc với chất lỏng và giảm kích thước thiết bị, người ta thường sản xuất các module màng lọc và ghép chúng lại với nhau. Các module này có thể được sản xuất dưới dạng tấm phẳng, ống cuộn hay sợi rỗng.

2.3.3. Phương pháp thoát hơi nước qua màng

Y

NH

Phương pháp thoát hơi nước qua màng là hình thức tách hỗn hợp lỏng bằng cách hóa hơi một phần rồi cho qua màng lọc có hay không có lỗ xốp. Cấu tử của một hỗn hợp thấm qua màng rồi bay hơi ở áp suất thấp và được loại bỏ bởi môi trường chân không.

QU

Phương pháp thoát hơi nước qua màng có hai bước cơ bản trong quá trình: trước tiên là sự thấm qua màng của chất thấm, rồi hóa hơi chất đó thành pha hơi. Màng lọc hoạt động như một tấm cản có chọn lọc. Màng lọc cho phép các cấu tử mong muốn đi qua bằng cách hóa hơi

KÈ

M

Phương pháp này được dùng với nhiều quá trình khác nhau, đặc biệt là làm tinh khiết hỗn hợp sôi đẳng phí. Phương pháp này còn hữu ích trong tách nước trong dung môi hữu cơ hay loại bỏ các tạp chất hữu cơ để làm sạch nước. Phương pháp này còn thích hợp để tách các hỗn hợp hai pha lỏng có cấu tử nhạy cảm với nhiệt độ.

Y

2.3.4. Phương pháp hấp phụ

DẠ

Hấp phụ là quá trình hút các chất trên bề mặt các vật liệu xốp nhờ các lực bề mặt. Các vật liệu xốp gọi là chất hấp phụ, chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ.

164

CI AL

Hấp phụ xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và ở gần sát bề mặt trong các mao quản.

- Hấp phụ hóa học: lực hấp phụ mạnh nhất là lực hóa trị gây nên hấp phụ hóa học, tạo ra các hợp chất khác bền trên bề mặt, khó nhả hấp phụ hoặc chuyển các phân tử thành các nguyên tử.

FI

- Hấp phụ vật lý: lực hấp phụ là lực Van der Waals tác dụng trong khoảng không gian gần sát bề mặt.

- Hấp phụ vật lý: nhiệt hấp phụ nhỏ.

OF

Mỗi phân tử bị hấp phụ đều giảm độ tự do, do đó quá trình hấp phụ luôn kèm theo sự tỏa nhiệt.

ƠN

- Hấp phụ hóa học: nhiệt hấp phụ lớn hơn, có thể bằng nhiệt phản ứng.

Do sự tỏa nhiệt, trong quá trình hấp phụ vấn đề tách nhiệt luôn được quan tâm. Động học của quá trình hấp phụ: quá trình hấp phụ từ pha lỏng lên bề mặt xốp của chất hấp phụ gồm 3 giai đoạn:

NH

- Chuyển chất từ lòng pha lỏng đến bề mặt ngoài của hạt hấp phụ.

- Khuếch tán vào các mao quản của hạt.

Y

- Hấp phụ làm bão hòa dần từng phần không gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, kèm theo sự tỏa nhiệt.

QU

Yêu cầu của các vật liệu hấp phụ: - Có bề mặt riêng lớn.

M

- Có các mao quản đủ lớn để các phân tử hấp phụ lên bề mặt nhưng cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập, có tính chọn lọc.

KÈ

- Có thể hoàn nguyên dễ dàng.

- Bền năng lực hấp phụ, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc.

- Đủ bền cơ học để chịu được rung động và va đập.

Y

2.3.5. Phương pháp kết tủa

DẠ

Phương pháp kết tủa là phương pháp tách hỗn hợp lỏng bằng cách kết tủa các ion có trong hỗn hợp lỏng thành các dạng hydroxide, cacbonat, oxalat,… bằng các chất hóa học có thể tạo kết tủa với chất lỏng được tách.

165

Chất tạo kết tủa thỏa mãn các yêu cầu sau:

CI AL

Điều kiện kết tủa là tích số hòa tan của các hợp chất này xấp xỉ bằng nhau và tốc độ kết tủa trong suốt quá trình phải như nhau.

- Có độ tan đủ thấp để có thể bỏ qua sự mất đi do độ tan.

- Dễ lọc và tách ra khỏi hỗn hợp chất lỏng.

FI

- Không bị tác dụng của môi trường xung quanh.

OF

Quá trình tạo kết tủa có hai giai đoạn: giai đoạn tạo các trung tâm kết tinh và giai đoạn lớn lên của hạt. Kích thước hạt của chất vừa mới kết tủa được quyết định bởi giai đoạn nào trong hai giai đoạn đó chiếm ưu thế.

NH

ƠN

Sự tạo thành các trung tâm kết tinh là quá trình hợp nhất một số cực tiểu ion phân tử. Sự kết tủa tiếp theo có thể được thực hiện hoặc là bằng cách tạo thành những trung tâm mới hoặc là bằng cách chuyển kết tủa đến những mầm tinh thể đã được tạo thành. Nếu kết tủa xảy ra theo con đường thứ nhất là chủ yếu thì kết tủa thu được là số lớn của các hạt nhỏ, nếu quá trình lớn lên của tinh thể chiếm ưu thế thì sẽ thu được số nhỏ các hạt lớn.

QU

Y

Ngoài kết tủa tinh thể còn có kết tủa vô định hình. Kết tủa vô định hình: là những hạt keo riêng biệt nhỏ đến mức không giữ được khi lọc, chuyển động Brown cũng cản trở sự kết tủa chúng từ dung dịch nhờ tác dụng của trọng lực (sự lắng đọng). Tuy nhiên, ta có thể làm đông tụ hoặc làm lớn lên những hạt của phần lớn hệ keo. Khi đó tinh thể lắng xuống nhanh và dễ lọc.

M

Ta có thể dùng dung dịch loãng, thêm chất kết tủa chậm và khuấy mạnh để làm giảm sự bão hòa ở trong dung dịch. Nhờ đó có thể làm cho hạt kết tủa lớn và dễ lọc hơn. Các kết tủa thu được tách bằng cách sử dụng phương pháp lọc.

KÈ

2.4. CÔNG NGHỆ CHIẾT SUẤT SIÊU TỚI HẠN SFE 2.4.1. Chất lỏng siêu tới hạn

DẠ

Y

Chất lỏng siêu tới hạn là chất mà có nhiệt độ và áp suất cao hơn nhiệt độ và áp suất tới hạn mà tại đó đường phân biệt pha lỏng và pha khí không tồn tại. Nó có tính chất của cả chất lỏng lẫn chất khí. Nó có thể đi qua chất rắn như một chất khí và hòa tan nguyên liệu như một chất lỏng. Khi gần đến điểm tới hạn, một thay đổi nhỏ về nhiệt độ hoặc áp cũng dẫn đến thay đổi lớn

166

OF

FI

CI AL

về tỷ trọng, đưa đến nhiều tính chất của chất lỏng siêu tới hạn trở nên tinh chỉnh. Chất lỏng siêu tới hạn phù hợp thay thế dung môi hữu cơ trong phạm vi quy mô công nghiệp và phòng thí nghiệm. CO2 và nước thường được sử dụng làm chất lỏng siêu tới hạn. Chất lỏng siêu tới hạn không có sức căng bề mặt, không có ranh giới giữa pha lỏng và pha khí. Bằng cách thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất thì tính chất của chất lỏng định hướng giống pha khí hoặc pha lỏng. Một tính chất quan trọng của chất lỏng siêu tới hạn là độ hòa tan. Độ hòa tan của nó có xu hướng tăng theo tỷ trọng của chất lỏng (nhiệt độ không đổi). Vì tỷ trọng tỷ lệ thuận với áp suất nên độ hòa tan tỷ lệ thuận với áp suất.

Tại tỷ trọng không đổi, độ hòa tan tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Tuy nhiên, khi gần đến điểm tới hạn tỷ trọng giảm nhiều khi nhiệt độ tăng ít. Do đó khi đến gần điểm tới hạn nhiệt độ, độ hòa tan sẽ giảm khi nhiệt độ tăng và sau đó tăng lại.

Nhiệt độ tới hạn

Áp suất tới hạn

Tỷ trọng tới hạn

g/mol

K

MPa(atm)

g/cm3

n

44.01

304.1

7.38 (72.8)

0.469

Water (H2O) (acc. IAPWS)

18.015

647.096

22.064 (217.755)

0.322

Methane (CH4)

16.04

190.4

4.60 (45.4)

0.162

30.07

305.3

4.87 (48.1)

0.203

Propane (C3H8)

44.09

369.8

4.25 (41.9)

0.217

Ethylene (C2H4)

28.05

282.4

5.04 (49.7)

0.215

Propylene (C3H6)

42.08

364.9

4.60 (45.4)

0.232

Methanol (CH3OH)

32.04

512.6

8.09 (79.8)

0.272

Ethanol (C2H5OH)

46.07

513.9

6.14 (60.6)

0.276

Acetone (C3H6O)

58.08

508.1

4.70 (46.4)

0.278

DẠ

Y

KÈ

M

Ethane (C2H6)

QU

C a r b o dioxide (CO2)

NH

Khối lượng mol

Y

Dung môi

ƠN

Bảng 2.1. Các thông số chất lỏng siêu tới hạn

167

NH

ƠN

OF

FI

CI AL

Tất cả chất lỏng siêu tới hạn có thể hòa trộn với nhau thành pha đồng nhất. Điểm tới hạn của hỗn hợp gồm 2 thành phần có thể tính toán dựa trên nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của 2 chất lỏng.

Hình 2.22. Biểu đồ pha nhiệt độ, áp suất

Y

Tc(hh)= (tỷ lệ mol A).TcA+ (tỷ lệ mol B). TcB

(2.58)

Y

KÈ

M

QU

Mọi hợp chất tinh khiết có thể tồn tại ở 3 trạng thái: rắn, lỏng, hơi (khí). Trên sơ đồ áp suất và nhiệt độ (PT), ba trạng thái được ngăn cách bởi 3 đường cong và gặp nhau tại một điểm, vị trí giao nhau của 3 đường cong gọi là triple point. Điểm cuối của đường ngăn cách giữa lỏng và hơi là điểm tới hạn (critical point). Có áp suất và nhệt độ là (Pc,Tc). Ngoài điểm tới hạn có áp suất và nhiệt độ lớn hơn điểm tới hạn (P>Pc, T>Tc), chỉ tồn tại một pha được gọi là chất lỏng siêu tới hạn (SCF). Tại điểm tới hạn của mỗi chất thì nó có thể nén vô hạn: (2.59)

DẠ

Có nghĩa là trọng lượng riêng của chất lỏng thay đổi nhanh khi có biến động nhỏ về áp suất. Khi ra khỏi trạng thái tới hạn, SCF thay đổi trọng lượng riêng rất lớn.

168

CI AL FI OF ƠN NH

Hình 2.23. Biểu đồ pha nhiệt độ, áp suất 2.4.2. Chiết xuất chất lỏng siêu tới hạn (SFE)

KÈ

M

QU

Y

Chiết xuất chất lỏng siêu tới hạn là quá trình tách một thành phần chất cần chiết từ hỗn hợp như tế bào chất bằng dung môi siêu tới hạn. Quá trình tách chiết thường tách từ chất rắn nhưng cũng có thể tách từ chất lỏng. Trong quy mô nhỏ SFE có thể là bước chuẩn bị cho việc phân tích.

Trong quy mô lớn SFE dùng để loại bỏ thành phần không mong muốn (caffeine) hoặc thu nhận các chất cần thiết (tinh dầu). CO2 là chất lỏng siêu tới hạn được sử dụng phổ biến. Điều kiện tạo ra CO2 siêu tới hạn là phải trên áp suất và nhiệt độ tới hạn (74bar, 274K).

2.4.2.1. Ưu điểm của phương pháp - Tính chọn lọc:

DẠ

Y

Tính chất của chất siêu tới hạn có thể thay đổi nhờ vào việc thay đổi áp suất và nhiệt độ nên có thể tách chiết chọn lọc. Ví dụ tách chiết dầu dễ bay hơi thì chiết suất với áp lực thấp. Khi chiết xuất một thành phần mà muốn loạt bỏ chất béo thì chiết xuất ở áp lực cao với dung 169

CI AL

môi CO2 tinh khiết. Sau đó bổ sung ethanol vào dung môi để loại bỏ phospholipids.

- Tốc độ:

ƠN

OF

FI

Khuếch tán là cơ chế chính trong quá trình tách chiết dung môi cần phải khuếch tán vào matrix và chất cần chiết khuếch tán ra khỏi matrix.

Chất lỏng siêu tới hạn khuếch tán nhanh hơn chất lỏng bình thường rất nhiều lần nên chiết xuất cũng nhanh hơn. Do không có sức căng bề mặt và độ nhớt thấp hơn nhiều so với chất lỏng bình thường nên SFE có thể dễ dàng xâm nhập vào matrix để tiếp cận với chất cần chiết. Nhờ vào tốc độ khuếch tán cao, độ nhớt thấp, không có sức căng bề mặt nên chất lỏng siêu tới hạn chỉ mất 10’ đến 60’ để khuếch tán trong khi đó dung môi hữu cơ phải mất nhiều giờ.

2.4.2.2. Hạn chế của phương pháp

Y

NH

Chất lỏng siêu tới hạn yêu cầu áp lực và nhiệt độ cao nên đòi hỏi thiết bị cũng phải đáp ứng đủ điều kiện dẫn đến chi phí tăng. CO2 là chất không phân cực nên gặp khó khăn khi hòa tan chất có cực. Các chất hỗ trợ có thể được bổ sung như ethanol. Nó giúp chọn lọc chất cần chiết song làm giảm một số lợi ích.

QU

2.4.2.3. Chất lỏng siêu tới hạn CO2

KÈ

M

CO2 được sử dụng phổ biến trong việc loại bỏ caffeine. Đây là vấn đề khá được quan tâm. CO2 siêu tới hạn phải đi qua hạt cà phê xanh sau đó dùng nước áp lực cao để loại bỏ caffeine. Caffeine được tách ra bằng cách cho nước đi qua than hoạt tính, chưng cất, kết tinh, thẩm thấu ngược để bán cho các công ty giải khát.

DẠ

Y

CO2 siêu tới hạn có thể dùng để như dung môi để làm sạch và làm khô dung môi truyền thống hydrocarbon và perchloroethylene. Ngoài ra, CO2 siêu tới hạn có thể sử dụng chưng cất tinh dầu và thảo dược. Ưu điểm chính của nó là không độc hại, không cháy. Hơn nữa tách chất cần chiết ra khỏi dung môi dễ dàng hơn dung môi hữu cơ truyền thống là hạ áp suất cho nó bay hơi và thu hồi bằng cách ngưng tụ. Lợi thế của nó còn hơn nước ở chỗ có thể tách sáp ra khỏi các loại dầu ở nhiệt độ thấp.

170

* Cơ chế

CI AL

Có 2 cơ chế chính trong quá trình chiết xuất siêu tới hạn:

FI

- Khuếch tán: Dung môi được đưa đến trạng thái siêu tới hạn (P>Pc, T>Tc) là dung môi có được tính chất của chất khí dễ dàng xâm nhập vào chất rắn. Ngoài ra, cùng với độ nhớt thấp, và không có sức căng bề mặt nên tốc độ khuếch tán của dung môi siêu tới hạn lớn hơn gấp nhiều lần so với dung môi truyền thống.

ƠN

OF

- Giải hấp thụ: dung môi siêu tới hạn chỉ sử dụng chất khí hoặc lỏng không sử dụng chất rắn. Do đó dễ dàng tách chất cần chiết ra khỏi dung môi bằng cách hạ áp suất cho dung môi bay hơi. Mức độ tinh khiết của phương pháp chiết siêu tới hạn là cao nhất do không còn tồn dư lượng dung môi.

M

QU

Y

NH

* Quá trình:

KÈ

Hình 2.24. Hệ thống trích ly siêu tới hạn

DẠ

Y

Hệ thống phải có một máy bơm CO2, một bình áp lực chứa mẫu, một thiết bị duy trì áp suất và một chậu. Chất lỏng được bơm vào một khu vực nóng với điều kiện siêu tới hạn. Sau đó nó đi vào bình chiết xuất SCF nhanh chóng khuếch tán vào tế bào chất của vật liệu rắn và hòa tan các chất cần chiết xuất. Chất hòa tan được đưa vào bình có áp suất thấp hơn, và chất cần chiết xuất tách ra. CO2 sau đó có thể được làm mát bằng nước, tái nén và tái chế, hoặc thải vào bầu khí quyển.

171

* Các thiết bị

FI

CI AL

- Máy bơm : CO2 thường được bơm dưới dạng lỏng (50C, 50bar).

Nếu bơm ở trạng thái siêu tới hạn phải sử dụng nhiều bơm stroke để nén chất lỏng. Trích ly quy mô nhỏ (vài gram/phút) thường sử dụng bơm xoay chiều và bơm tiêm. Trích ly quy mô lớn thì bơm màng sử dụng phổ biến, phía đầu bơm phải được làm lạnh. CO2 cũng phải làm lạnh trước khi vào bơm.

OF

- Bình áp lực: Bình áp lực có thể sử dụng ống từ đơn giản cho đến phức tạp. Bình áp lực phải tạo ra ít nhất là 75 bar. Thường thì trích ly được tiến hành dưới 350 bar. Nhưng có trường hợp cần đến 800 bar để trích ly dầu thực vật.

NH

ƠN

Bình áp lực phải trang bị thiết bị sưởi ấm, đối với loại nhỏ có thể đặt trong lò. Đối với loại lớn để bên trong một loại dầu hoặc áo làm nóng bằng điện. Phải thường xuyên kiểm tra nếu bình sử dụng bọc cao su. Vì CO2 siêu tới hạn có thể hòa tan cao su gây phồng cao su và hỏng khi giảm áp.

KÈ

M

QU

Y

- Thiết bị duy trì áp suất: Áp suất phải được duy trì từ máy bơm đến bình áp lực. Trong các hệ thống nhỏ (10 ml/phút) sử dụng ống hẹp đơn giản. Có thể sử dụng một ống mao dẫn dài hoặc van kim để điều chỉnh áp suất ở các lưu lượng khác nhau. Trong các hệ thống lớn sử dụng bộ điều chỉnh đối áp duy trì áp suất ngược dòng điều chỉnh bằng một lò xo, khí nén hoặc điều khiển điện tử. Mặc dù nhiệt luôn được cung cấp nhưng việc mở rộng đoạn nhiệt dẫn đến CO2 được làm mát đáng kể. Nếu trong mẫu có chứa nước hoặc chất cần chiết xuất có thể đóng băng trong ống hẹp hoặc van gây tắc ngẽn.

DẠ

Y

- Đun nóng và làm nguội: Chất lỏng phải được làm lạnh trước khi bơm để duy trì điều kiện của chất lỏng, được làm nóng lại khi điều áp. Khi chất lỏng mở rộng đến màng phân cách thì phải được đun nóng để tránh làm mát quá nhiều. Trong quy mô nhỏ như với mục đích phân tích các ống hẹp, có thể đun nóng bằng điện hoặc thậm chí bằng máy sấy tóc. Trong quy mô lớn, năng lượng cung cấp cho từng giai đoạn của quá trình được tính toán dựa trên tính chất của chất lỏng siêu tới hạn.

172

2.4.2.4. Ứng dụng công nghệ tách chiết siêu tới hạn

CI AL

* Ứng dụng tách chiết caffeine trong cà phê và chè

FI

Ngành công nghiệp giải khát ngày nay phát triển rất mạnh, nhất là cà phê. Caffeine là chất kích thích thần kinh có trong chè và cà phê, có khả năng gây nghiện. Ở mức độ vừa phải thì caffeine khá có lợi. Để đáp ứng thị hiếu của người tiêu dùng và đảm bảo sức khỏe thì việc giảm hàm lượng caffeine là điểm quan tâm của nhà công nghệ.

OF

Giải pháp tách chiết caffeine bằng CO2 siêu tới hạn được áp dụng lần đầu tiên ở châu Âu sau đó là Bắc Mỹ. Với công nghệ này, hàm lượng caffeine có thể giảm xuống < 0,1%. * Ứng dụng tách chiết các hợp chất từ hoa houblon

NH

ƠN

Việc bảo quản nhựa đắng và các hương có trong hoa houblon đã làm thất thoát rất nhiều song việc tách chiết cũng góp phần. Với công nghệ tách chiết siêu tới hạn nâng hiệu suất tách chiết lên rất cao (ở Đức sản lượng tách chiếc hoa houblon 10000 tấn/năm). * Ứng dụng trong ngành sinh học và mỹ phẩm

QU

Y

Dùng công nghệ tách chiết siêu tới hạn tách các tinh dầu quý hiếm như: lavande, hoàng đàn, nhài, bưởi, hoa hồng đáp ứng việc sản xuất nước hoa đặc biệt là nước hoa cao cấp và trong thực phẩm. Tách chiết tinh dầu nghệ, chè, gừng, polyphenol từ chè hay các chất từ lô hội. Tinh dầu được tách chiết có độ tinh khiết cao nhất. * Ứng dụng trong ngành dược phẩm

DẠ

Y

KÈ

M

Tách chiết các hoạt chất chữa bệnh hay tăng cường sức khỏe có trong thảo mộc đặc biệt là thảo mộc quý hiếm.

173