Luận văn Nghiên cứu tạo sinh khối Spirulina Platensis sạch bằng quy trình nuôi trong hệ kín

ác động kích thích cơ chế sửa chữa DNA, nhờ vậy có thể giải thích cho chức năng bảo vệ đối với ảnh hưởng của bức xạ mặt trời của Spirulina. 1.1.5.7 Acid nucleic Hàm lượng acid nucleic (ADN và ARN) có ý nghĩa dinh dưỡng quan trọng do sự thoái hóa thành phần cấu tạo nên chúng (các purine adenine và guanine) tạo ra sản phẩm là acid uric. Khi acid uric tích tụ cao trong máu có thể gây bệnh sỏi thận và gút (gout). Lượng acid nucleic tối đa cho người trưởng thành khoảng 4 g/ngày. Cũng cần chú ý rằng, với cùng lượng purine trong thành phần, nhưng ARN tạo ra 15 lượng acid uric gấp ba lần ADN và mức độ tăng acid uric còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ tuổi, giới tính, độ béo phì. Trong Spirulina lượng acid nucleic từ 4-6% trọng lượng khô. Tỉ lệ ADN/ARN là 1/4 hoặc 1/3. Hàm lượng acid nucleic trong Spirulina nói chung thấp hơn so với sinh vật đơn bào. Bảng 1.3 Hàm lượng acid nucleic trong một số thực phẩm [22] Loại thực phẩm Tổng lượng acid nucleic (% trọng lượng khô) Spirulina 4-6 Nấm men 23 Thịt bò 1,5 Gan bò 2,2 Với hàm lượng như bảng 1.3 thì khi sử dụng Spirulina ở mức độ khuyên dùng (10 g khô một ngày tương đương 0,4-0,6 g acid nucleic) lượng acid nucleic ăn vào còn rất thấp so với mức cho phép. 1.1.5.8 Sắc tố Sắc tố là yếu tố rất quan trọng giúp tổng hợp các loại hormon cần thiết để điều khiển các hoạt động của cơ thể. Hàm lượng sắc tố trong sinh khối S. platensis rất cao, đặc biệt là carotenoid, chlorophyll, phycocyanin. Bảng 1.4 Hàm lượng sắc tố tự nhiên trong sinh khối S. platensis [5] Tên sắc tố Hàm lượng/10g sinh khối khô Tỉ lệ trong 10g (%) Phycocyanin (blue) Chlorophyll (green) Carotenoid (orange) β-caroten 1500-2000 mg 115 mg 37 mg 14 mg 15-20 1,15 0,37 0,14 16 Carotenoid là sắc tố màu vàng cam trong sinh khối Spirulina. β-caroten chiếm 80% carotenoid có trong Spirulina, phần còn lại gồm xanthophylls, cryptoxanthin, echinenone, zeaxanthin và lutein. Mỗi kilogram Spirulina khô chứa từ 700-1700 mg β-carotene và khoảng 100 mg cryptoxanthin, hai loại carotenoid này được chuyển hóa thành vitamin A trong cơ thể người. Nhu cầu vitamin A ở người trưởng thành ít hơn 1 mg/ngày, nên chỉ cần 1-2 gram Spirulina là cung cấp dư lượng vitamin A đó. Không giống vitamin A, sự tích tụ β- carotene không gây nên bất kỳ độc tính nào. Hiệu quả sinh học của caroteinoid trong Spirulina đã được kiểm chứng trên cả chuột và gà. Đáng kể và quan trọng hơn là những thử nghiệm trên cơ thể người, một nghiên cứu thực hiện với 5000 trẻ em tại Ấn Độ đã chỉ ra rằng, chỉ với một gram Spirulina hàng ngày đã gây hiệu quả đáng kinh ngạc đối với bệnh thiếu vitamin A kinh niên. Sau năm tháng, tỉ lệ trẻ em mắc bệnh thiếu vitamin A đã giảm từ 80 xuống 10%. Nghiên cứu này khẳng định rằng, chỉ cần một lượng rất thấp Spirulina cũng làm giảm bớt rất nhiều những nguy cơ bị mù và tổn hại hệ thần kinh gây nên do thiếu vitamin A ở trẻ em. Challem (1981) gọi chlorophyll là máu xanh vì nó giống hemoglobin, chỉ khác là nhóm kim loại của nó là Mg ở dạng ion (nên có màu xanh) thay vì Fe trong hemoglobin (màu đỏ). Có ý kiến cho rằng nếu như kim loại trong chlorophyll được thay bằng ion Fe thì nó có thể thay thế hemoglobin trong mô bào. Trong sinh khối S. platensis có chứa khoảng 1,15% chlorophyll, chiếm tỉ lệ cao nhất so với các loại thực phẩm tự nhiên khác. Phycocyanin là sắc tố đóng vai trò rất quan trọng trong sinh khối S. platensis và tồn tại dưới dạng một protein phức hợp, chiếm đến 20% trọng lượng sinh khối khô. Trong phycocyanin có cả nguyên tố Fe, Mg vì vậy nó rất có ý nghĩa dinh dưỡng ở người khi nhu cầu bổ sung các khoáng này dưới dạng hữu cơ. 1.1.5.9 Vitamin 17 Sinh khối Spirulina giàu các loại vitamin, đặc biệt là vitamin B12, cao hơn hẳn thịt, cá, sản phẩm từ trứng, sữa, nấm men....10g sinh khối Spirulina cung cấp một lượng lớn vitamin cần thiết cho sự sống hàng ngày của chúng ta. Bảng 1.5 Hàm lượng vitamin trong Spirulina so với nhu cầu hàng ngày [22] Vitamin Hàm lượng (mg/kg) Nhu cầu hàng ngày (mg) (cho người trưởng thành, 24-25 tuổi) B1 34-50 1,5 B2 30-46 1,8 B6 5-8 2 B12 1,5-2 0,003 Niacin 130 20 Folate 0,5 0,4 Pantothenate 4,6-25 6-10 Biotin 0,05 0,1-0,3 C Vết 15-30 Vitamin rầt cần cho sự sinh sản và sinh trưởng của cơ thể. Sự phát triển của tinh trùng, trứng, hợp tử, bào tử, bào thai đều cần đến vitamin A, thiếu vitamin A năng suất sinh sản sẽ giảm. Vitamin A quan trọng trong sự duy trì và bảo vệ thượng bì da và niêm mạc, thiếu nó da khô, lông rụng khiến khả năng chống xâm nhập vi trùng kém và sẽ giảm đề kháng cơ thể. Nguồn vitamin A trong sinh khối Spirulina là carotenoid dễ hấp thụ, không gây độc nếu dùng quá liều, rất an toàn cho con người cũng như động vật. Một trong những báo cáo đã được công bố bởi Hội đồng nghiên cứu quốc tế năm 1982 “chế độ ăn, dinh dưỡng và bệnh ung thư ” đã kết luận rằng nguồn thức ăn giàu caroten và vitamin A làm giảm nguy cơ mắc bệnh ung thư. Vitamin E (tocopherols), Spirulina khô chứa vitamin E khoảng từ 50-190 mg/kg, một mức độ có thể so sánh với mầm lúa mì. Nhu cầu vitamin E hàng ngày là 18 15 IU hoặc 12 mg. Khả năng chống oxy hóa của tocopherol giúp bảo tồn tốt các acid béo không no có trong Spirulina khô. Ngoài ra, vitamin E còn có các tác dụng quý đã được biết đến như bảo vệ tim, mạch máu và làm chậm sự hóa già. Spirulina không giàu vitamin nhóm B như nấm men (ngoại trừ vitamin B12), tuy nhiên lại có nhiều loại vitamin hơn. Đặc điểm đáng nhấn mạnh là mức độ cao khác thường vitamin B12 (cobalamin) trong Spirulina, vì vitamin này rất khó thu được trong khẩu phần ăn không có thịt và hầu như không loại thực vật phổ biến nào chứa nó. Spirulina chứa lượng vitamin B12 gấp bốn lần gan tươi, một loại thực phẩm được cho là nguồn cobalamin tốt nhất. Thiếu vitamin B12 dễ mắc bệnh thiếu máu ác tính, căn bệnh này có nguy cơ cao ở những người ăn chay hoặc do khả năng hấp phụ kém của cơ thể. 1.1.5.10 Khoáng chất Spirulina chứa nhiều nguyên tố khoáng có ý nghĩa đối với dinh dưỡng người và động vật. Bảng 1.6 Khoáng và các nguyên tố vết trong Spirulina [22] Nguyên tố khoáng Hàm lượng trong Spirulina (mg/kg) Nhu cầu hàng ngày của người trưởng thành (mg/ngày) Calcium (Ca) 1300-14000 1200 Phosphorus (P) 6700-9000 1000 Magnesium (Mg) 2000-2900 250-350 Iron (Fe) 580-1800 18 Zinc (Zn) 21-40 15 Copper (Cu) 8-10 1,5-3 Chrome (Cr) 2,8 0,5-2 Manganese (Mn) 25-37 5 Sodium (Na) 4500 500 Potassium (K) 6400-15400 3500 19 Các khoáng đáng quan tâm trong Spirulina là iron (Fe), calcium (Ca), phosphorus (P), và potassium (K). Hàm lượng rất cao của sắt nên được nhấn mạnh gấp hai lần vì tình trạng thiếu sắt (dẫn đến thiếu máu) rất phổ biến như hiện nay, đặc biệt là phũ nữ mang thai và trẻ em, hơn nữa nguồn thực phẩm giàu sắt rất hiếm thấy. Một ví dụ điển hình, tất cả các loại ngũ cốc được xếp hạng là một nguồn cung cấp sắt tốt nhất, cũng chỉ chứa 150-250 mg/kg. Thêm vào đó, cung cấp sắt dưới dạng muối sulfate có thể dẫn đến độc và gây bệnh tiêu chảy. Trong khi đó, ngũ cốc thường giàu acid phytic và polyme phosphatic, những chất này làm hạn chế lợi ích sinh học do sắt mang lại. Trong trường hợp Spirulina, hiệu quả sinh học đã được chứng minh trên cả chuột và người. Lượng Fe trong Spirulina ở dạng được cơ thể hấp thụ ngay. Fe của Spirulina dễ hấp thụ 2 lần hơn Fe của thịt và rau. Calcium, phosphorus và magnesium trong Spirulina có thể so với sữa về số lượng các khoáng này. Các nguyên tố này có hàm lượng khá cân bằng, nên hiện tượng loại thải calcium do dư thừa phosphorus sẽ khó xảy ra. Sự thiếu magnesium có thể làm rối loạn hệ tim mạch và thần kinh. Nguyên tố K với hàm lượng cao cũng mang ý nghĩa tích cực, nhất là khi ngày càng có nhiều nhà dinh dưỡng học cho rằng tỷ lệ thấp K/Na ở trong các nguồn thực phẩm hiện nay là không tốt cho sức khỏe. Đáng tiếc là một nguyên tố hóa học quan trọng chỉ có mặt ở mức dấu vết, ít được nghiên cứu, đó là iodine. Mặc dầu vậy, đã có những khẳng định ban đầu là Spirulina có thể cố định được iodine như các nguyên tố khác, và đây có thể trở thành một hướng nghiên cứu mới cho mục đích nâng cao hàm lượng iodine có trong Spirulina. 1.1.5.11 Enzyme Enzyme quan trọng nhất trong sinh khối S. platensis khô là superoxide dismutase (SOD). Nó xúc tác khử các sản phẩm của phản ứng peroxide hóa và loại 20 bỏ các yếu tố thúc đẩy quá trình lão hóa cơ thể sống. Trong 10g sinh khối S. platensis khô có từ 10,000 đến 37,000 đơn vị hoạt động. 1.1.5.12 Một số nghiên cứu khác [19], [22] Các vi sinh vật có mặt trong dịch nuôi Spirulina Các loài sinh vật cùng sống với Spirulina trong môi trường nuôi thường hiếm thấy và không phải là tác nhân gây bệnh. Trong thực tế, độ kiềm cao (pH 8,5-11,0) là một rào chắn hiệu quả đối với sự xâm nhiễm của các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men, nấm mốc hoặc tảo. Hơn nữa, các chất nhất định được tiết ra hoặc chứa trong Spirulina cũng có tác dụng diệt khuẩn, hoặc ít nhất là kìm hãm vi khuẩn lạ. Do đó, Spirulina được sử dụng như một loại thuốc đắp để chữa những vết thương hoại tử ở châu Phi. Trong môi trường nuôi nhân tạo, thường có từ 3x104 đến 6x105 vi sinh vật lạ trong một millilitre. Sau khi thu hoạch và sấy khô, Spirulina có chứa từ 103 tới 106 các vi sinh vật có khả năng sống lại trong mỗi gram khô. Số lượng này không thay đổi trong thời gian bảo quản, không xuất hiện vi khuẩn Coliform và Streptococci sau nhiều tháng bảo quản. Những phân tích vi sinh vật của các sản phẩm Spirulina công nghiệp ở Mexico và Hoa Kỳ đã khẳng định sự vắng mặt hoàn toàn của các tác nhân gây bệnh như Salmonella, Shigella và Staphylococci. Spirulina ở cả nguồn tự nhiên (Lake Chad) và nhân tạo (các bể nuôi) đã được chứng minh là không bị nhiễm bởi các amip gây bệnh lỵ. Quá trình bảo quản Spirulina là khá dễ dàng vì các sản phẩm dường như có khả năng kháng nấm mốc. Do đó, Aspergillus flavus và aflatoxin (được tiết ra bởi loài nấm này) chưa bao giờ được tìm thấy trong các mẻ nuôi Spirulina. Các nghiên cứu về độc học Theo một số nghiên cứu, các chất độc như lead (chì), mercuri (thủy ngân), arseni (asen) và fluorine (flo) không thấy trong Spirulina. Tuy nhiên, một nghiên cứu chi tiết hơn nói rằng, Spirulina từ môi trường tự nhiên chứa lượng khá cao 21 arsen và đặc biệt là flo. Những kết quả này có thể liên quan đến vị trí địa lý của từng vùng cộng thêm khả năng cố định các kim loại của Spirulina, và yếu tố bao trùm là các địa điểm đó bị ô nhiễm bởi các nguyên tố này. Cho dù vậy, khi thí nghiệm cho chuột ăn Spirulina thu từ bể tự nhiên là nguồn protein duy nhất, đã cho thấy là không có ảnh hưởng độc từ các nguyên tố này. Nhưng vấn đề đặt ra là các sản phẩm Spirulina công nghiệp không được có hoặc ở mức cho phép. Các nghiên cứu về chất độc hữu cơ gây đột biến Thí nghiệm kiểm tra lượng heptadecane (một thành phần chính của paraffin có khả năng gây độc) thực hiện bằng cách cho chuột và lợn ăn Spirulina là nguồn protein duy nhất. Kết quả của thí nghiệm là sự tích lũy hydrocarbua này ở một lượng rất thấp và không xảy ra hiện tượng độc cấp tính hoặc mãn tính. Chất 3,4-Benzopyrene (sự có mặt của các hydrocarbua vòng thơm có thể gây đột biến và ung thư rất mạnh được kiểm tra bằng 3,4-benzopyrene) trong Spirulina khoảng 2-3 ppb thấp hơn rất nhiều so với các loại rau ăn phổ biến. Khả năng gây quái thai được xác định là bằng 0 đối với các giai đoạn mang thai khi sử dụng 10%, 20% và 30% Spirulina trong khẩu phần ăn. Vài loài vi khuẩn lam nhất định tạo ra chất độc mạnh tác động lên thần kinh (anatoxin-A từ Anabaena flosaquae) và gan (microcystine từ Microcystis aeruginosa) cũng đã được chứng minh là không có. Những tự thí nghiệm trên người Thử nghiệm có tính thuyết phục và thiết thực nhất là Spirulina đã được sử dụng bởi người dân Kanembous ở Chad giống như một thức ăn truyền thống trong nhiều thế kỷ. Mỗi người ở đây ăn từ 10-12 gram một ngày, riêng phụ nữ mang thai ăn với lượng lớn hơn nhiều. Khi được phát hiện cũng là lúc nhiều cuộc thử nghiệm sử dụng Spirulina làm thức ăn được thực hiện. Có hai nghiên cứu đáng chú ý là: + Thí nghiệm pro-Vitamin A đề cập ở trên, tại Ấn Độ với hơn 5000 trẻ em. + Chương trình thứ hai thực hiện ở Bangui (nước cộng hòa ở miền trung châu Phi) trên vài trăm trẻ em, về hiệu quả sử dụng Spirulina trong điều trị rối loạn năng 22 lượng protein. Kết quả đã củng cố vững chắc tác dụng của Spirulina, đặc biệt đối với chứng suy dinh dưỡng ở trẻ em. Ngoài ra có một số nghiên cứu nhỏ đáng ghi nhận sau: Sự cân bằng nitơ được nghiên cứu trên 10 trẻ em, 5-10 tháng tuổi bị thiếu dinh dưỡng nặng. Chúng được cho ăn hai nguồn protein Spirulina, đậu nành hoặc sữa bò. Mức hấp thu nitơ 60% với Spirulina, 70% với đậu nành, nhưng tỷ lệ giữ lại thì ngược lại: 40% với Spirulina, 30% với đậu nành. Tại Hôpital Bichat thuộc Pháp, cuộc kiểm tra với người trưởng thành và trẻ em thiếu ăn, được cho ăn Spirulina với liều lượng lớn (80-90 g/ngày). Mặc dù ăn với lượng rất lớn, nhưng lượng acid uric trong máu không có sự tăng đáng kể nào. Sau cùng, một nghiên cứu ở Trung Quốc trên 27 trẻ em tuổi từ 2 tới 6 đã kết luận rằng, Spirulina là “a real source of health for children” sau những phân tích về tình trạng sức khỏe của những trẻ em đó. 1.1.6 Phương pháp thu hoạch [22] Khi Spirulina được nuôi trong điều kiện tốt thì vấn đề thu sinh khối là một công việc dễ dàng, nhưng khi đã nuôi trong thời gian dài và xuất hiện nhiều chất nhầy thì thu hoạch trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Thời gian tốt nhất để thu hoạch là vào sáng sớm vì những lý do sau: • Nhiệt độ thấp khiến công việc dễ làm. • Sẽ có nhiều giờ nắng và thời gian để làm khô sản phẩm. • Phần trăm protein trong Spirulina cao nhất vào buổi sáng. Có hai bước cơ bản trong thu hoạch: • Lọc để thu sinh khối còn lẫn các thành phần môi trường nuôi. • Loại bỏ các thành phần của môi trường nuôi để thu sinh khối sạch. 1.1.7 Một số ứng dụng của Spirulina [4], [5], [19], [29] Spirulina nguồn bổ sung protein Thành phần dinh dưỡng nổi bật trong Spirulina là protein. Với hàm lượng cao khác thường, sinh khối Spirulina trở thành nguồn thực phẩm hàng đầu cho tình 23 trạng thiếu protein hiện nay của một bộ phận dân số không nhỏ thuộc nước đang và kém phát triển. Spirulina với đặc tính dễ nuôi, kể cả ở những vùng đất khô cằn, có thể thay thế cho các nguồn protein đậu nành, thịt, trứng là những thực phẩm khó có được khi mà điều kiện chăn nuôi, trồng cây lương thực trở lên khó khăn. Trên cơ sở này sinh khối Spirulina đã được sản xuất thành nhiều sản phẩm có công dụng khác nhau như: chế phẩm “Algata” được dùng để chữa bệnh ngứa của trẻ em. Chế phẩm “Protalmin” được sản xuất sau khi thuỷ phân Spirulina bằng enzyme có tác dụng phục hồi nhanh sức khỏe. Một số sản phẩm khác nhau như Linagreen, Heilina, Spirulina Kayaky, Spirulina C, Profesina. Ở Việt Nam có một số chế phẩm như Linavina, Lactogyl. Spirulina là nguồn sắc tố tự nhiên Chlorophyll, phycocyanin được sử dụng làm sắc tố có nguồn gốc tự nhiên trong công nghiệp thực phẩm và mỹ phẩm thay thế cho các chất màu tổng hợp. Sắc tố vàng xanthophyll và vàng cam β- caroten được bổ sung vào khẩu phần ăn của gia cầm nhằm làm tăng màu cho lòng đỏ trứng và làm phẩm nhuộm thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên. Spirulina còn là nguồn để cung cấp hàng loạt các chất có ích khác, chẳng hạn như các axit béo không no - mạch dài, sterol, đáng quan tâm là γ - linolenic acid, sắt, vitamin B12. Spirulina là nguồn thức ăn bổ sung protein cho gia cầm và vật nuôi Do có thành phần dinh dưỡng đa dạng, Spirulina được coi là nguồn thức ăn bổ sung dinh dưỡng có giá trị cho người và động vật. Spirulina được ứng dụng rộng rãi trong nghề chăn nuôi tằm và nuôi cá cảnh ở Nhật Bản. Một hướng khác sử dụng sinh khối Spirulina ứng dụng trong lĩnh vực thuỷ sản để nuôi tôm, nhuyễn thể và một số loài cá. Từ dịch chiết sinh khối bằng nước, người ta tạo ra được dịch tiêm chống bệnh còi xương của lợn có hiệu quả cao. 24 Một số loại bột cá, bột lạc, bột đậu nành có thể được thay một phần bằng Spirulina trong khẩu phần ăn của cá, gia cầm, gia súc và vật nuôi. Khi đó không cần bổ sung khoáng và vitamin vào các loại bột nêu trên vì Spirulina rất giầu các chất dinh dưỡng này. Spirulina trong y học Những thí nghiệm về dược lý và lâm sàng ở Việt Nam chứng tỏ công dụng to lớn của Spirulina trong việc điều trị một số bệnh như suy dinh dưỡng của trẻ em, thiếu sữa ở sản phụ, đái tháo đường, ung thư, viêm gan, tăng cường sức khỏe cho người bệnh. Về bệnh thiếu máu, Spirulina là nguồn thực phẩm khá lý tưởng để điều trị căn bệnh này nhờ có protein dễ đồng hóa, vitamin B6 và B12, vitamin E, acid folic, cũng như sắt và đồng. β- caroten là một chất chống oxy hóa quan trọng, ngăn ngừa và làm giảm sự già hóa. Spirulina nguồn phân bón sinh học Năm 1981, tài liệu của FAO đã nói về khả năng thay thế phân bón hóa chất bằng vi khuẩn lam để cải tạo những vùng đất bạc màu. Ở Ấn Độ, sản lượng lúa sử dụng vi khuẩn lam khô làm phân bón tăng 22%. Lượng phân bón vô cơ giảm được 20-30 kg/0,4 hecta. S. platensis được dùng kết hợp với vi khuẩn lam cố định nitơ Aulosira fertilissima và diammonium phosphate (DAP) để làm phân bón cho thí nghiệm trồng khoai tây. Kết quả là, số củ tăng 522%, sản lượng chung tăng 977% so với đối chứng. Trong khi đó, vi khuẩn lam và DAP được bón riêng thì không có sự tăng đáng kể nào. 1.1.8 Triển vọng nuôi Spirulina quy mô lớn [22] Spirulina được thừa nhận trên toàn thế giới là có thể dùng làm thực phẩm cho người và thức ăn cho động vật. Sản xuất 1 kg Spirulina chỉ cần một lượng nước rất nhỏ, thậm chí có thể là nước lợ, kiềm không thích hợp cho nông nghiệp. Khối lượng nước để sản xuất cùng một lượng protein Spirulina chỉ bằng 1/3 so với đậu nành và 25 1/50 so với protein của bò, theo đó diện tích đất Spirulina cần ít hơn 200 lần so với đậu nành và ít hơn 500 lần so với bò, đây sẽ là một ưu điểm lớn trong tương lai, Spirulina có thể nuôi ở vùng đất khô cằn, đất không thể cải tạo được. Vấn đề quyết định triển vọng nuôi Spirulina quy mô lớn không hoàn toàn là tiềm năng thị trường sản phẩm của chúng (công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm, hoá chất…) mà là giá thành sản xuất. Vì vậy nhiều cố gắng đang được tiến hành làm giảm giá thành sản xuất . Giá thành sản xuất giảm sẽ làm cho Spirulina và các sản phẩm của chúng có thể mở rộng thị trường trên thế giới. Yêu cầu trên dường như có liên quan rất lớn đến vai trò của các nhà nghiên cứu về Spirulina¸ sáng kiến và thiết kế mới để có thể nuôi Spirulina không chỉ ở những vùng khí hậu sạch, trong lành mà còn ở ngay trong các thành phố lớn, nơi mà nguồn lực kinh tế, kỹ thuật dễ dàng được đáp ứng là một trong những mục tiêu quan trọng cần vươn tới trong tương lai. 1.2 Tổng quan về quá trình lên men cồn ethylic [6], [8] 1.2.1 Khái niệm chung Lên men cồn là một quá trình lên men yếm khí, sử dụng nấm men làm tác nhân chuyển hóa đường thành sản phẩm sau cùng chủ yếu là ethanol và khí carbon dioxide. 1.2.2 Cơ sở sinh hóa của lên men cồn ethylic Từ năm 1803 L.J. Thernard đã chứng minh rằng, nấm men là tác nhân trực tiếp của quá trình lên men cồn. Đến năm 1810, Gay-Lussac nghiên cứu và thấy rằng, cứ 45 phần glucose sẽ tạo ra 23 phần cồn ethylic và 22 phần khí carbon dioxide. Trên cơ sở đó ông viết thành phương trình sau: C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2 L. Pasteur (1857) nhà bác học người Pháp cũng kết luận rằng ”Sự phân giải đường thành cồn và CO2 là sự hô hấp của nấm men trong điều kiện yếm khí”. Hiện nay, quá trình lên men cồn đã hiểu rõ ràng hơn và có thể tóm gọn lại trong khái niệm sau: sự lên men cồn (ethanol) là một quá trình sinh hóa phức tạp, có 26 sự tham gia của nấm men Saccharomyces, trải qua hàng loạt phản ứng và hoạt động của nhiều men xúc tác khác nhau. Phương trình tổng quát của sự lên men là: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 27 kcal Để có được hai sản phẩm chính là ethanol và khí carbon dioxide thì sự lên men phải lần lượt trải qua ba giai đoạn: đường phân, decacboxyl hóa, cồn hóa. Theo Pasteur, nếu coi lượng đường có trong dịch lên men là 100% thì sau lên men sẽ cho 44,4% ethanol; 46,6% CO2; 3,3% glyceryl và 0,6% acid succinic. Như vậy, trong điều kiện lên men bình thường (pH 4-5, nhiệt độ 28-300C, cùng một số điều kiện thích hợp khác) thì cứ 1000 kg đường lên men sẽ cho khoảng 466 kg CO2, một con số đáng để quan tâm cả về lợi ích và tác hại của nó nhất là trong những năm gần đây, khi mà khí nhà kính đang trở thành mối lo ngại hàng đầu của môi trường Trái Đất. CO2 là một thành phần chính và có tác động mạnh mẽ nhất trong hỗn hợp khí nhà kính, nếu như được thải ra ngoài khí quyển mà không có kiểm soát. Ngược lại, carbon dioxide cũng có những ứng dụng mang lại giá trị kinh tế. Theo phương trình lên men thì lượng khí carbon dioxide chiếm gần như 100% khí sản phẩm tạo ra, do vậy đây là một nguồn cung cấp CO2 khá tinh sạch cho những hoạt động cần nguồn khí này làm nguyên liệu như đông lạnh, khí trơ hoặc cho những loài sinh vật quang hợp. 1.3 Tổng quan về nấm men [6] 1.3.1 Đặc tính và cơ chế hoạt động của nấm men Nấm men là tác nhân chính của quá trình lên men cồn. Nấm men trong sản xuất cồn thuộc giống Saccharomyces, trong điều kiện yếm khí nấm men này chuyển hoá đường thành ethanol và CO2. 27 Hình 1.5 Nấm men dưới kính hiển vi điện tử Dựa vào đặc tính của quá trình lên men mà nấm men được chia thành 2 nhóm chính: nấm men nổi và nấm men chìm. Nấm men nổi: lên men nổi ở nhiệt độ cao từ 20 - 28oC. Quá trình lên men nhanh tạo thành bọt. Nấm men nổi trên bề mặt hoặc lơ lửng trong dịch lên men và chỉ lắng xuống đáy bình thành một lớp xốp khi lên men kết thúc. Nấm men chìm: lên men chậm, lặng lẽ ở nhiệt độ tương đối thấp từ 5-10oC. Trong quá trình lên men, nấm men nằm dưới đáy. Việc tạo điều kiện yếm khí cho môi trường lên men, giúp nấm men sử dụng toàn bộ cơ chất cho lên men là rất kinh tế. Quá trình trao đổi chất của nấm men xảy ra dưới tác dụng của các enzyme nội bào và ngoại bào. Nước trong môi trường lên men giúp chất dinh dưỡng đi vào trong tế bào và thải các sản phẩm trao đổi chất ra môi trường. Màng tế bào nấm men có tác dụng như màng bán thấm sinh học, thu nhận đường và chất dinh dưỡng. Ethanol và CO2 hình thành sẽ đi ra khỏi tế bào và tích tụ trong môi trường. Việc di chuyển CO2 trong môi trường giúp tế bào nấm men trao đổi chất nhanh hơn, thúc đẩy quá trình lên men triệt để hơn. 1.3.2 Một số loài nấm men tiêu biểu Saccharomyces cerevisiae 28 Được sử dụng phổ biến trong công nghệ sản xuất rượu, bia, bánh mì và rượu vang. Tế bào thường có dạng hình cầu, hình bầu dục hoặc elip, kích thước (5-7)x(8- 10) micromet (μm), sinh sản bằng cách nảy chồi. Tế bào nấm men chứa 75% nước, chất khô chủ yếu là protein và hydratcarbon. Saccharomyces cerevisiae có khả năng lên men ở nhiệt độ 28 – 32oC, biến đường thành cồn nhanh và hoàn toàn. Sau khi lên men, nấm men lắng chậm. Saccharomyces ellipsoideus (nấm men nho), tạo được 17-18% độ cồn, hay dùng để sản xuất rượu vang. Saccharomyces vini Nấm men này được dùng phổ biến trong quá trình lên men nước quả. Đa số các tế bào của loài này có hình oval có kích thước (3 – 8) x (5 -12) μm, sinh sản theo lối nảy chồi. Loại này thường lên men đạt độ cồn từ 8 – 10 độ. Ở giai đoạn cuối lên men, Saccharomyces vini kết lắng nhanh và làm trong rượu. Ở giai đoạn cuối cùng của quá trình lên men, các tế bào Saccharomyces vini thường bị già, không tiếp tục chuyển đường thành cồn và bị chết rất nhanh. Saccharomyces oviformis Được phân lập từ nước nho lên men tự nhiên, nhưng loại nấm men này ít hơn so với Saccharomyces vini, có hình dạng giống Saccharomyces vini. Giống thuần chủng phát triển tốt trong nước nho và các loại nước quả khác, có khả năng chịu được nồng độ cồn cao, có khả năng lên men kiệt đường và tạo thành tới 18o cồn, khi lên men tạo thành màng trên dịch quả. Hai giống nấm men Saccharomyces vini và Saccharomyces oviformis hiện được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất rượu vang nên còn gọi là nấm men rượu vang. 1.4 Tổng quan về mật rỉ đường [9] 1.4.1 Nguồn gốc rỉ đường Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, nhiều vùng đất đai từ Bắc đến Nam rất thuận tiện cho phát triển trồng mía, nhất là các tỉnh ven biển miền Trung và Đông Nam 29 bộ. Vì thế ngành sản xuất đường mía có tiềm năng rất lớn. Đến nay cả nước có 45 nhà máy đường có công suất ép từ 300 - 8000 tấn mía/ngày. Phát triển sản xuất đường mía là một định hướng đúng đắn, quan trọng. Tuy nhiên, sản xuất đường cũng thải ra một lượng không nhỏ các chất thải giàu chất hữu cơ dễ chuyển hóa, gây ô nhiễm môi trường đặc biệt là môi trường nước. Mật rỉ là một phụ phẩm của ngành sản xuất đường, là sản phẩm cuối cùn