mononatri glutamate gọi bột (mỳ chính) hay gia vị Umami sử dụng phổ biến chế biến ăn hàng ngày tồn cầu Axit glutamic có vị chua QTCNSX bột (Mono) natri glutamate có vị umami Bột (hay mì chính) tên thường gọi Natri Glutamat, tên Tiếng Anh Monosodium Glutamate (MSG) Cơng thức hóa học: C5H8NO4Na Bột muối Natri với axit glutamic, axit amin dồi tự nhiên thành phần quan trọng protein Glutamate thực phẩm có hương vị độc đáo (được gọi umami) Glutamate thành phần gia vị tăng cường hương vị từ thời La Mã cổ đại “Garum”, Nhật Bản 1200 năm Glutamate làm tăng hương vị tự nhiên nhiều loại thực phẩm, hiệu sử dụng với thực phẩm mặn có chứa protein (như thịt rau)
Giới thiệu
Glutamate là gì?
Glutamate là dạng kết hợp của axit glutamic với các gốc khoáng chất, chủ yếu là natri và kali, có mặt trong thực phẩm tự nhiên Điều này cho thấy glutamate thường tồn tại dưới dạng mononatri và monokali Axit glutamic được phát hiện lần đầu bởi nhà khoa học Ritthausen vào năm 1866, và sau đó được nhà khoa học Fischer nghiên cứu, cho biết rằng khi nếm, axit glutamic ban đầu có vị chua, sau đó chuyển sang vị không rõ rệt.
Fischer không biết rằng Glutamate có vị đặc trưng, nhưng sau đó, Giáo sư Ikeda từ Đại học Hoàng gia Tokyo, Nhật Bản, đã phát hiện ra rằng muối Glutamate, chứ không phải axit glutamic, mới chính là nguyên nhân tạo ra vị Umami.
Glutamate chủ yếu tồn tại dưới dạng muối trong nhiều thực phẩm như cà chua, phô mai, thịt và cá Giáo sư Ikeda xác nhận rằng các dạng muối khác nhau của Glutamate, bao gồm natri, kali và canxi, đều mang vị Umami Ông cũng phát hiện rằng tinh thể mononatri glutamate là thành phần lý tưởng nhất để bổ sung vị Umami vào món ăn, tương tự như gia vị đường hoặc muối, nhờ vào khả năng tan nhanh trong nước.
Ngày nay, mononatri glutamate, hay còn gọi là bột ngọt (mỳ chính), là gia vị Umami được sử dụng rộng rãi trong chế biến món ăn hàng ngày trên toàn cầu.
Axit glutamic có vị chua
(Mono) natri glutamate có vị umami
Bột ngọt (hay mì chính) là tên thường gọi của Natri Glutamat, tên Tiếng Anh là Monosodium Glutamate (MSG).
Công thức hóa học: C5H8NO4Na
Bột ngọt, hay còn gọi là muối của Natri với axit glutamic, là một trong những axit amin phong phú nhất trong tự nhiên và đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc protein Glutamate mang lại hương vị umami độc đáo cho thực phẩm, và đã được sử dụng làm gia vị tăng cường hương vị từ thời La Mã cổ đại với sản phẩm nổi tiếng như “Garum”, cũng như ở Nhật Bản trong nhiều thế kỷ.
Glutamate, trong suốt 1200 năm qua, đã được công nhận là một chất làm tăng hương vị tự nhiên của nhiều loại thực phẩm Đặc biệt, nó phát huy hiệu quả tốt nhất khi kết hợp với các món ăn mặn chứa protein, chẳng hạn như thịt và rau.
Phân loại
Glutamate có thể tồn tại dưới dạng tự nhiên không liên kết với protein hoặc kết hợp với các axit amin khác trong cấu trúc protein Loại glutamate tự nhiên này mang vị umami, góp phần làm tăng sự ngon miệng của thực phẩm Các thực phẩm chứa hàm lượng glutamate tự do cao, như phô mai và cà chua chín, thường được ưa chuộng trong nấu ăn nhờ vào hương vị đặc sắc của chúng.
Hình 1 Glutamate ở trạng thái tự nhiên có trong các loại thực phẩm
Glutamate được sản xuất thông qua quy trình lên men tương tự như sản xuất giấm, bia hoặc nước tương Quá trình này sử dụng các nguồn tự nhiên như tinh bột hoặc mật rỉ từ củ cải đường và mía.
+ Danh pháp IUPAC: Sodium (2S)-2-amino-5-hydroxy-5-oxo-pentanoate.
+ Bề ngoài: bột kết tinh màu trắng.
+ Độ hòa tan trong nước: hòa tan nhiều trong nước.
Các phương pháp sản xuất bột ngọt
Phương pháp tổng hợp hoá học
Phương pháp tổng hợp axit glutamic và các amino axit khác dựa trên việc ứng dụng các phản ứng tổng hợp hóa học từ khí thải của ngành công nghiệp dầu hỏa và các lĩnh vực khác.
Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng sử dụng nguyên liệu không phải thực phẩm để sản xuất, đồng thời tận dụng hiệu quả các phế liệu từ ngành công nghiệp dầu hỏa.
Phương pháp sản xuất L – axit glutamic gặp nhiều nhược điểm, bao gồm yêu cầu kỹ thuật cao và chỉ khả thi ở những quốc gia có ngành công nghiệp dầu mỏ phát triển Hơn nữa, quá trình này tạo ra hỗn hợp không quay cực D, L – axit glutamic, khiến việc tách riêng L – axit glutamic trở nên khó khăn và làm tăng chi phí sản phẩm Do đó, phương pháp này ít được áp dụng rộng rãi ở các quốc gia.
Phương pháp thủy phân protit
Phương pháp sản xuất bột ngọt dựa trên nguyên tắc sử dụng các tác nhân xúc tác như hóa chất hoặc enzyme để thủy phân nguyên liệu protein như đậu khô hoặc lạc khô Quá trình này tạo ra hỗn hợp amino acid, từ đó tách riêng axit glutamic để sản xuất bột ngọt.
Quá trình thủy phân gluten của bột mì bằng axit HCl ở nhiệt độ 150 o C giúp giải phóng các axit amin Sau đó, chất cặn bã được lọc và dịch lọc được cô đặc, giữ ở nhiệt độ thấp để giảm độ hòa tan của chất tan Kết quả là các hạt tinh thể glutamat natri hydroclorua sẽ dần dần hình thành khi dung dịch trở nên quá bão hòa.
Hạt tinh thể axit glutamic được lọc và hòa tan trong nước, sau đó được trung hòa bằng Na2CO3 đến pH 3,2 để kết tinh Tinh thể được tách ra bằng phương pháp ly tâm và sau đó được pha loãng, kết tinh lần hai với Na2CO3 ở pH 5,7 – 7 Than hoạt tính và Na2CO3 được sử dụng để khử màu và loại bỏ tạp chất Tạp chất được lọc, dịch lọc cô đặc qua bay hơi chân không để thu được dịch cô đặc MSG, sau đó tách nước bằng ly tâm và sấy khô để có MSG tinh khiết Hiệu suất thu hồi MSG từ bột mì dao động từ 15 – 25%, trong khi từ đậu nành chỉ đạt khoảng 4 – 7%.
Hiện nay ở nước ta và nhiều nước trên thế giới chủ yếu vẫn sử dụng phương pháp này.
Ưu điểm: Dễ khống chế quy trình sản xuất và áp dụng được vào các cơ sở thủ công, bán cơ giới, cơ giới dễ dàng.
Nhược điểm: + Cần sử dụng nguyên liệu giàu protit hiếm và đắt.
+ Cần nhiều hóa chất và các thiết bị chống ăn mòn.
+ Hiệu suất thấp, đưa đến giá thành cao.
Phương pháp lên men
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc sử dụng các vi sinh vật có khả năng tổng hợp axit amin từ nguồn glucid và đạm vô cơ.
Phương pháp này đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, mang lại khả năng sản xuất đa dạng các loại amino axit như axit glutamic, lizin, valin, alanin, phenylalanin, tryptophan và methionin.
Để sản xuất axit glutamic, nhiệt độ lên men cần duy trì ở 28°C và pH = 8,0 bằng cách bổ sung ure thường xuyên Điều kiện hiếu khí rất quan trọng, vì nếu không có sục khí, sản phẩm sẽ chuyển thành lactate thay vì axit glutamic Khi sử dụng rỉ đường làm nguyên liệu lên men, cần bổ sung các chất kháng biotin để kiểm soát sự phát triển của vi sinh vật.
Phương pháp này có nhiều ưu điểm nên đang được nghiên cứu và ứng dụng ở nước ta và các nước trên thế giới.
+ Không sử dụng nguyên liệu protit.
+ Không cần sử dụng nhiều hóa chất và thiết bị chịu ăn mòn.
+ Hiệu suất cao, giá thành hạ.
+ Tạo ra axit glutamic dạng L, có hoạt tính sinh học cao.
+ Quá trình đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao và nghiêm ngặt.
+ Đảm bảo vô trùng mới tạo sản phẩm.
+ Khó điều khiển được quá trình.
Phương pháp kết hợp
Nguyên tắc: Phương pháp kết hợp giữa tổng hợp hóa học và vi sinh vật học.
Phương pháp vi sinh vật tổng hợp axit amin từ nguồn đạm vô cơ và gluxit thường tốn nhiều thời gian Do đó, người ta đã áp dụng các phản ứng tổng hợp để tạo ra các hợp chất có cấu trúc tương tự axit amin, từ đó sử dụng vi sinh vật để tiếp tục sản xuất axit amin.
Mặc dù phương pháp này mang lại tốc độ nhanh chóng, nhưng nó cần phải trải qua nhiều giai đoạn và đòi hỏi kỹ thuật cao Do đó, phương pháp này chủ yếu được áp dụng trong nghiên cứu và ít được sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất.
Nguyên liệu – Vi sinh vật
Vi khuẩn Corynebacterium glutamicum
Chủng vi sinh vật thường được sử dụng là: Corynebacterium glutamicum,
Brevibacterium lactormentus, Micrococcus glutamicus; chủ yếu nhất vẫn là Corynebacterium glutamicum.
Đặc điểm của các chủng VSV
+ Hình dạng tế bào từ hình cầu đến hình que ngắn.
+ Vi khuẩn Gram (+), hô hấp hiếu khí và không tạo bào tử.
+ Không chuyển động được, không có tiên mao.
+ Biotin là yếu tố cần thiết cho sinh trưởng và phát triển.
+ Tích tụ một lượng lớn glutamic từ hydrat cacbon và NH4 + trong môi trường có sục không khí.
Corynebacterium glutamicum, được phát hiện vào giữa những năm 1950 bởi các nhà nghiên cứu Nhật Bản, nổi tiếng với khả năng sản xuất acid glutamic Qua các nghiên cứu, các nhà khoa học đã nhận thấy rằng loài vi khuẩn này không chỉ tiết acid glutamic mà còn sản xuất nhiều loại amino acid khác như lysine, methion, arginine và threonine trong môi trường nuôi cấy.
Corynebacterium glutamicum hiện nay đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, sản xuất khoảng 2 triệu tấn amino acid mỗi năm, trong đó có 0,6 triệu tấn L-lysine Nghiên cứu về vi khuẩn này đang được tiến hành bởi các nhà khoa học trong và ngoài nước nhằm nâng cao năng suất thu nhận amino acid, chủ yếu thông qua các kỹ thuật di truyền.
+ Chủng C Glutamicum có khả năng tạo nhiều axit glutamic nhất.
+ Tốc độ sinh trưởng phát triển nhanh, có tính ổn định cao trong thời gian dài.
+ Chịu được nồng độ acid cao, môi trường nuôi cấy đơn giản và dễ dàng áp dụng trong thực tế sản xuất.
Chủng này đặc biệt không bị giới hạn bởi nồng độ biotin, nhờ khả năng sinh tổng hợp acid glutamic cao, cho phép nó hoạt động hiệu quả mà không bị ảnh hưởng bởi nồng độ biotin.
Đặc điểm hình thái và vị trí phân loại
Dưới kính hiển vi với độ phóng đại từ 400 đến 1000 lần, tế bào Corynebacterium glutamicum có hình dạng que ngắn và không đều Các tế bào thường sắp xếp theo hình chữ V, một số xếp song song, và chúng không có khả năng di động cũng như không hình thành bào tử.
Corynebacterium glutamicum là vi khuẩn Gram dương, thể hiện qua việc bắt màu tím khi nhuộm Gram và hiện tượng kéo sợi khi phản ứng với dung dịch KOH 3%.
Khuẩn lạc mọc trên môi trường thạch có dạng tròn đầy, trơn bóng, màu vàng nhạt, kích thước 1-1,5 mm (sau một ngày nuôi cấy).
Hình 3 Tế bào vi khuẩn Corynebacterium glutamicum
(a) Tế bào vi khuẩn Corynebacterium glutamicum sinh trưởng trên môi trường phức hợp.
(b) Tế bào quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét.
Cấu tạo tế bào vi khuẩn có một lớp peptidoglycan dày, vách tế bào chứa arabino galactan và acid mycolic có 26-36 carbon Hàm lượng G:G là 54,1%.
Vị trí trong hệ thống phân loại của Corynebacterium glutamicum:
Vi sinh vật lên men chủ yếu sử dụng đường làm nguồn dinh dưỡng, vì vậy nguyên liệu cho công nghệ lên men cần phải giàu gluxit, bao gồm tinh bột sắn, rỉ đường, glucose và saccharose Bên cạnh đó, các nguồn dinh dưỡng bổ sung như muối amoni, photphat, sulfat và biotin cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Nguyên liệu chính được chọn là rỉ đường mía, vì nó đáp ứng tốt các yêu cầu và dễ dàng tìm thấy, đồng thời tận dụng được bã mía từ các nhà máy đường Đặc biệt, rỉ đường chứa biotin, một chất điều hòa sinh trưởng cần thiết cho quá trình lên men.
Rỉ đường thường được pha loãng đến 13-14% và được thanh trùng trước khi tiến hành quá trình lên men Đối với nguyên liệu chứa tinh bột, cần thực hiện thủy phân tinh bột thông qua quá trình dịch hóa và đường hóa bằng enzym α, β-amylaza, sau đó bổ sung dinh dưỡng vào môi trường lên men.
Rỉ đường mía
Rỉ đường mía là sản phẩm còn lại sau quá trình tách đường kết tinh từ dung dịch đường Chất lượng và số lượng rỉ đường phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống mía, điều kiện canh tác, địa lý và kỹ thuật chế biến của nhà máy đường.
+ Đường 62%: 25 – 40% saccaroza; 15 – 25% đường khử (glucoza và fructoza); 3 – 5% đường không lên men được.
+ Nước 20%: nước phần lớn ở trạng thái tự do và một số ít ở trạng thái liên kết dưới dạng hydrat.
Rỉ đường mía chứa nhiều chất sinh trưởng quan trọng như axit pantotenic, nicotinic, folic, B1, B2 và đặc biệt là biotin Rỉ đường mía Mỹ được xem là nguồn cung cấp chất sinh trưởng cho các môi trường nuôi cấy vi sinh vật, không kém cạnh so với cao ngô.
Tinh bột sắn
Nhiệt độ hòa tan của tinh bột sắn nằm trong khoảng 60 – 80 o C.
Quy trình sản xuất bột ngọt
Công đoạn thủy phân
Mục đích của công đoạn này là tạo điều kiện để thực hiện phản ứng thủy phân tinh bột thành đường lên men được, chủ yếu là đường glucose.
Phản ứng xảy ra như sau:
Phản ứng chuyển hóa (C6H10O5)n thành nC6H12O6 thông qua nH2O có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng, điều này cần được xem xét kỹ lưỡng để chọn lựa phương án tối ưu nhất.
Phương pháp thủy phân bằng enzyme
Sử dụng α, β-amylase từ hạt nảy mầm hoặc nấm mốc để thủy phân tinh bột thành đường mang lại nhiều lợi ích Phương pháp này không yêu cầu hóa chất độc hại hay thiết bị chịu acid, áp lực, đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị.
Giai đoạn đường hóa không hoàn toàn chuyển đổi tinh bột thành glucose, mà tạo ra dextrin trung gian, gây khó khăn cho vi khuẩn lên men mì chính trong việc sử dụng Thời gian đường hóa kéo dài và hàm lượng đường sau quá trình này thấp, dẫn đến việc cần sử dụng thiết bị lớn và cồng kềnh.
Phương pháp thủy phân bằng H2SO4 có những ưu điểm nổi bật, bao gồm việc sử dụng CaO để trung hòa acid dư, giúp tiết kiệm chi phí so với việc dùng Na2CO3 hay NaOH Bên cạnh đó, sản phẩm trung hòa sẽ kết tủa, làm cho dịch đường trong suốt hơn mà không tạo ra NaCl như khi sử dụng HCl.
Nhược điểm: hiệu suất thủy phân bằng H2SO4 thấp hơn dùng HCl.
Phương pháp thủy phân bằng HCl
Quá trình thủy phân được tiến hành theo phản ứng sau:
Tinh bột → Hòa nước và HCl → Thủy phân → Trung hòa → Tẩy màu → Dung dịch đường glucose.
Yêu cầu: Dung dịch ra có nồng độ: 100 o Be. pH = 1.5.
Hàm lượng đường: 16 – 18%. Ưu điểm: hiệu suất cao, thời gian thủy phân ngắn hơn do cường lực xúc tác mạnh.
Nhược điểm của việc trung hòa acid dư bằng Na2CO3 là tạo ra muối NaCl trong dung dịch, điều này làm tăng áp suất thẩm thấu trong tế bào vi sinh vật và ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy vi khuẩn.
Phản ứng giữa 2HCldư và Na2CO3 tạo ra 2NaCl, CO2 và H2O yêu cầu sử dụng thiết bị chịu acid ở nhiệt độ và áp suất cao Sau khi hoàn thành quá trình thủy phân, cần tiến hành các giai đoạn tiếp theo để đảm bảo hiệu quả của phản ứng.
Mục đích: chuẩn bị, hoàn thiện.
Sau khi hoàn tất quá trình thủy phân, dung dịch được chuyển vào thiết bị trung hòa và cho NaOH 30% vào cho đến khi đạt pH = 4.8 Tiếp theo, thêm khoảng 0.45kg than hoạt tính vào 100kg tinh bột để tẩy màu, giúp dung dịch trở nên trắng sáng và dễ dàng trong quá trình lọc.
Tách các phần bã và các chất không hòa tan, ta được dung dịch đường glucose có hàm lượng đường 16 – 18%.
Pha chế dịch lên men
Nguyên liệu phụ Hàm lượng
Ure (khử trùng riêng) Ure ban đầu khống chế 1.7 ÷ 1,8%.
Nồng độ K2HPO4 không được vượt quá 0.25% để tránh làm tổn hao đường nhanh chóng và giảm sản lượng acid glutamic Để tạo môi trường lên men lý tưởng, pH cần duy trì trong khoảng 6.7 đến 6.9; nếu pH thấp hơn 6.2 hoặc cao hơn 7.5, quá trình lên men sẽ bị ảnh hưởng, dẫn đến hiệu suất sản xuất acid glutamic không đạt yêu cầu.
Thanh trùng môi trường lên men là quá trình tiêu diệt hoàn toàn các vi sinh vật nhiễm tạp, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho giống sinh trưởng và tăng cường tích lũy L-AG.
Việc thanh trùng môi trường cần được thực hiện cẩn thận với nhiệt độ và thời gian quy định, vì nhiệt độ cao và thời gian kéo dài có thể gây caramen hóa và melanoit hóa đường Điều này dẫn đến sự phân hủy một số acid amin, làm thất thoát chất dinh dưỡng, giảm chất lượng môi trường, kéo dài thời gian tiềm phát của giống và giảm hiệu suất chuyển hóa đường thành L-AG ở giai đoạn sau.
Sau khi thanh trùng xong, cần phải làm nguội môi trường càng nhanh càng tốt. Làm nguội môi trường quá chậm cũng sẽ làm giảm chất lượng môi trường.
Thanh trùng ở nhiệt độ 121 o C trong 45 ÷ 60 phút Nhiệt độ làm nguội 30 ÷ 35 o C.
Lên men
Công đoạn lên men là giai đoạn quyết định trong toàn bộ quy trình sản xuất, bao gồm ba giai đoạn nhỏ: nuôi giống cấp I, nuôi giống cấp II và lên men lớn Trong suốt quá trình này, cần bổ sung chất kích thích sinh trưởng biotin với hàm lượng từ 2 đến 5 g/l Đặc biệt, cần tránh điều kiện lên men yếm khí để không tạo ra acid lactic, do đó, việc cung cấp O2 liên tục là rất quan trọng.
Sau khi chuẩn bị đầy đủ môi trường và dụng cụ, sử dụng que cấy để chuyển giống từ ống gốc sang ống thạch nghiêng Sau đó, đặt ống thạch vào tủ ấm trong 24 giờ để cho khuẩn lạc phát triển, tạo ra giống đời I.
Cấy truyền giống sang ống thạch nghiêng 1 lần nữa để vào tủ ấm 12 giờ → giống đời II
Để bảo quản giống vi sinh vật, sử dụng môi trường thạch nghiêng với thành phần gồm 1% peptone, 1% cao thịt bò, 0.5% NaCl tinh chế và 2% thạch Các ống bảo quản cần được lưu trữ trong tủ lạnh, với tần suất cấy lại mỗi 2 tháng Sau 6 tháng, cần thực hiện việc phân lập và tuyển chọn lại nòi để đảm bảo hiệu lực cao.
Quá trình nuôi giống được tiến hành theo các bước sau:
Quy trình sản xuất giống bao gồm các bước: từ giống gốc, cấy truyền vào ống thạch nghiêng đời 1, tiếp tục cấy truyền ra ống thạch nghiêng đời 2, sau đó lên men trong bình lắc để tạo giống cấp 1 Tiếp theo, giống cấp 1 được nuôi trong thùng tôn để phát triển thành giống cấp 2, và cuối cùng, quá trình lên men chính diễn ra trong nồi lên men cấp 3.
Mục đích: tăng số lượng vi khuẩn cho nhân giống cấp II.
Môi trường nhân giống cấp I: đường glucoza tinh khiết 2.5%, rỉ đường 0.25%, nước chấm 0.32%, MgSO4.7H2O 0.04%, Fe và Mn (đã pha 2000g/l) 0.002%, ure 0,5%, vitamin B1 (đã pha 150g/l) 0.00015%.
Tiến hành: Cho giống đời II một lượng vừa đủ cho vào bình tam giác 1 lít chứa
Môi trường nuôi cấy 250ml đã được thanh trùng ở 121°C, 1atm trong 20 phút và làm nguội xuống 30 – 35°C Quá trình nuôi cấy diễn ra trên máy lắc liên tục với tốc độ 100 vòng/phút trong khoảng thời gian từ 16 đến 18 giờ.
Mục đích: chuẩn bị số lượng giống cho thiết bị lên men.
Môi trường nhân giống cấp II (ứng với thể tích lên men 60 lít): đường glucoza
2000g, MgSO4 24g, H3PO4 60g, KOH pH = 9, nước chấm 300ml, rỉ đường 600g, ure 480g, dầu lạc 60ml, vitamin B1 20mg.
Để tiến hành quá trình lên men, sử dụng thùng tôn có dung tích 50 lít, chứa 35 lít môi trường đã được thanh trùng ở nhiệt độ 120°C trong 30 phút Thiết bị cũng cần được thanh trùng ở 130°C trong 30 phút Lượng giống cấy cần thiết là 2%, với nhiệt độ nuôi cấy duy trì từ 31 đến 32°C trong khoảng thời gian từ 8 đến 9 giờ.
Lên men lớn (lên men cấp III)
Mục đích: chuyển hóa đường glucose và đạm vô cơ thành acid glutamic nhờ hoạt động sống của vi khuẩn trong những điều kiện thích hợp.
Môi trường dịch lên men đã chuẩn bị sẵn ở trên.
Để tiến hành quá trình lên men, sử dụng thùng lên men có dung tích 1200 lít, cho vào 800 lít môi trường đã được thanh trùng ở nhiệt độ 120°C trong 30 phút Thiết bị cũng cần được thanh trùng ở 130°C trong 30 phút Lượng giống cấy sử dụng là 2%, và nhiệt độ nuôi cấy duy trì trong khoảng 31 đến 32°C.
Cơ chế lên men axit glutamic:
Nguồn cacbon chủ yếu là glucose, được phân hủy thành các đoạn C3 và C2 bởi vi khuẩn thông qua con đường Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) và chu trình pentose-phosphate, sau đó các đoạn này sẽ tham gia vào chu trình axit tricarboxylic (TCA).
Con đường EMP ngày càng trở nên phổ biến trong sản xuất axit glutamic Axit glutamic chủ yếu được hình thành từ tiền chất α-ketoglutaric, được sản xuất trong chu trình TCA thông qua các hợp chất citrate và isocitrate, và sau đó được chuyển hóa thành L-glutamic acid amin với sự tham gia của các ion.
Sự hình thành acid glutamic diễn ra khi acid α-ketoglutaric tích tụ trong tế bào vi khuẩn, kết hợp với sự hiện diện của NH3 và enzyme glutamate dehydrogenase.
Hình 4 Cơ chế lên men axit glutamic
Con đường amin hóa – khử:
Hình 5 Con đường amin hóa – khử
Hình 6 Con đường chuyển amin
Quá trình này xảy ra qua 3 giai đoạn:
Giai đoạn đầu (8 ÷ 12 giờ): gọi là giai đoạn sinh khối
Trong giai đoạn này, các chất dinh dưỡng như đạm vô cơ và hữu cơ, muối khoáng, vitamin cùng với các chất sinh trưởng thẩm thấu vào tế bào vi khuẩn, giúp vi khuẩn phát triển Khi đạt kích thước tối đa, vi khuẩn bắt đầu quá trình sinh sản và phân chia Quá trình này tiếp tục lặp lại cho đến khi vi khuẩn đạt đến giá trị cực đại.
Các biểu hiện của giai đoạn này:
+ Nhiệt độ tăng vừa phải, càng về cuối giai đoạn, tốc độ tăng nhiệt độ càng nhanh. + pH tăng dần từ 6.5 ÷ 6.7 lên 7.5 ÷ 8.
+ Bọt tạo thành tăng dần (CO2 thải ra do hô hấp).
+ Lượng đường tiêu hao tăng dần, càng về sau tốc độ hao càng nhiều.
+ Lượng tế bào vi khuẩn tăng dần từ khoảng 0.13 ÷ 0.14 đến 1 (số đo OD trên máy đo mẫu).
+ Hàm lượng acid glutamic chưa có hoặc có rất ít.
Giai đoạn giữa (từ giờ thứ 10, 12 đến giờ 24, 26):
Trong giai đoạn này, tế bào không tăng trưởng hoặc chỉ tăng trưởng rất ít Đường và đạm vô cơ thẩm thấu qua màng tế bào vi khuẩn, dẫn đến các quá trình chuyển hóa do enzyme thực hiện, từ đó tạo ra acid glutamic bên trong tế bào.
Các biều hiện của giai đoạn này:
+ Lượng acid glutamic tạo thành lại hòa tan vào các môi trường làm cho pH giảm dần, CO2 bay ra nhiều, bọt tăng ào ạt.
+ Lượng đường hao hụt nhanh từ 8.9% xuống còn 2.3%.
+ pH giảm xuống còn dưới 7 nên phải bổ sung ure để tăng pH lên 8 rồi lại giảm xuống nhanh chóng.
+ Lượng acid glutamic tăng nhanh từ 0 đến 30 ÷ 40 g/l.
Những giờ còn lại thì tất cả các biểu hiện đều giảm dần cho đến khi hàm lượng đường chỉ còn ≤ 1% thì quá trình lên men kết thúc.
+ Nhiệt độ: luôn luôn giữ ở 32 o C.
+ Lượng không khí: 30 ÷ 40 m 3 /1 giờ cho 1m 3 môi trường.
+ Cánh khuấy 2 tầng 180 ÷ 200 vòng/phút.
+ pH giảm xuống còn dưới 7 nên phải bổ sung ure ngay để tăng pH lên 8 Thường bổ sung 1 nồi lên men gián đoạn 2 ÷ 3 lần.
+ Khi bọt nhiều phải tiếp giống để phá bọt tạo điều kiện cho CO2 thoát ra ngoài dễ dàng.
Trao đổi ion tách acid glutamic ra khỏi dịch lên men
Mục đích của quá trình này là tách acit glutamic từ dịch lên men, đồng thời loại bỏ các ion không mong muốn để tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết tinh, đảm bảo sản phẩm không bị nhiễm tạp bởi các ion lạ.
Cách tiến hành: Sử dụng hạt nhựa polyetylen sunfuric (rezin) sau khi bị cation hoá
Hạt nhựa tái sinh có khả năng giữ lại các anion, chủ yếu là acid glutamic, trên bề mặt của nó Sau đó, quá trình sử dụng NaOH sẽ giúp tách acid glutamic ra khỏi hạt nhựa.
R-SO3H + + NH3RCOO - → R'-SO3NH3RCOOHQuá trình tách (nhả hấp phụ):
R'-SO3NH3RCOOH + NaOH → R'-SO3Na + NH2RCOOH + H2O
Hạt nhựa rezin sau khi trao đổi ion với dịch lên men sẽ lắng xuống tự nhiên, sau đó loại bỏ lớp dịch bẩn trên bề mặt Tiến hành đảo trộn hạt nhựa và rửa ngược bằng nước sạch cho đến khi sạch hoàn toàn Sau khi rửa, ngừng nước lạnh và thay bằng nước nóng 60 o C để gia nhiệt hạt nhựa Nước thải đầu ra chứa một lượng nhỏ acid glutamic được thu hồi để sử dụng làm nước pha dịch men cho mẻ sau Gia nhiệt tiếp tục cho đến khi nước thải đạt 45 o C, sau đó thêm NaOH 5% để tách acid glutamic.
Dung dịch NaOH 5% được gia nhiệt đến 60 o C để tách acid glutamic, trong quá trình này, dịch thải ra vẫn được thu hồi để pha mẻ tiếp theo Cần liên tục kiểm tra pH và độ Be, vì acid glutamic sẽ nhanh chóng theo dịch ra Khi độ Be đạt 0 0, lập tức thu hồi acid glutamic Chỉ sau 4 – 5 phút, độ Be sẽ đạt cực đại (4,5 – 5 0 Be) và lúc này ngừng cho NaOH Sau khi đạt cực đại, độ Be giảm dần và khi trở về 0 0 Be, quá trình thu hồi acid glutamic sẽ kết thúc, phần còn lại được sử dụng làm nước chấm.
Toàn bộ dung dịch acid glutamic được chuyển vào thùng kết tinh, trong khi cánh khuấy hoạt động liên tục để ngăn chặn sự kết tinh quá sớm Khi đạt được điểm đẳng điện với pH từ 2.9 đến 3.2 bằng cách thêm HCl 31%, quá trình sẽ dừng lại và bắt đầu làm lạnh bằng cách thêm nước lạnh.
Sau khi đưa acid glutamic về điểm đẳng điện, nước được thêm vào vỏ thùng và làm lạnh để tăng độ quá bão hòa của dung dịch, giúp kết tinh acid glutamic hiệu quả hơn Quá trình khuấy liên tục diễn ra để đảm bảo acid glutamic kết tinh to, tơi và xốp Sau 8 giờ, khuấy ngừng lại và nhiệt độ hạ dần đến mức nhiệt độ không khí Quá trình làm lạnh và kết tinh kéo dài ít nhất 48 giờ, tạo ra hai pha rõ rệt trong dung dịch acid glutamic.
- Pha rắn: gồm axit glutamic đã kết tinh lắng xuống dưới.
Pha lỏng bao gồm nước và một lượng nhỏ acid glutamic không kết tinh, được gọi là nước cái Phần nước cái này sẽ được sử dụng để trao đổi, trong khi phần kết tinh sẽ được ly tâm để thu được acid glutamic ẩm.
Trung hòa, tinh chế tạo glutamat natri tinh khiết
Mục đích: chuyển acid glutamic thành natri glutamat theo phản ứng:
C5H9NO4 + Na2CO3 → C5H8NO4Na + CO2 + H2O Ngoài ra còn có phản ứng khử sắt và tẩy màu Yêu cầu:
- Nồng độ của dung dịch trung hoà khống chế: 21-23 o Be
- Sắt phải được khử hết.
- Kiểm tra Na2S quá lượng không còn vết kết tủa đen.
Để đạt hiệu quả tối ưu trong phản ứng trung hòa và phản ứng khử sắt, dung dịch thải cần phải trong suốt Phản ứng trung hòa nên được thực hiện ở nhiệt độ 50-60°C, vì nhiệt độ thấp hơn làm chậm quá trình, trong khi nhiệt độ cao hơn (trên 80°C) có thể gây tổn thất do nhiệt tỏa ra Đối với phản ứng khử sắt, nhiệt độ lý tưởng là 60-70°C với pH từ 5 đến 5,5.
Cho nước vào thùng trung hòa và gia nhiệt lên 70°C, sau đó cho acid glutamic và Na2CO3 vào đến pH 5 - 5,5 Tiếp theo, thêm gần 50% tổng lượng than để tẩy màu, rồi cho Na2S vào để khử sắt.
FeCl2 + Na2S → FeS↓ + 2NaOHFe(OH)2 + Na2S → FeS↓ + 2 NaOH2HOOC - (CH2)2- CH- COOH + Na2S → 2HOOC - (CH2)2- CH - COONa + H2S↑
Khi Na2S được thêm vào, pH của dung dịch sẽ tăng và có một lượng nhỏ H2S thoát ra H2S là khí độc, vì vậy cần để phản ứng diễn ra trong 1 giờ nhằm đảm bảo đủ thời gian cho quá trình này.
Na2CO3 tiếp tục trung hoà đến pH =6,5 - 6,8 thì ép lọc lần 1.
Mục đích: là tẩy màu dịch ép lọc sau trung hoà 1.
Sau khi hoàn thành quá trình ép lọc lần 1, dịch được bơm vào thùng trung hoà 2, nơi mà nhiệt độ được nâng lên 50-60 độ C và than hoạt tính được thêm vào khuấy đều Trong quá trình này, cần kiểm tra lượng Na2S còn lại; nếu vẫn còn Fe 2+, tiếp tục cho Na2S vào để khử hoàn toàn Khi màu sắc trở nên trắng và trong suốt, tiến hành ép lọc lần 2 để thu được dung dịch natri glutamate, sau đó đưa đi cô đặc.
Dịch ép lọc lần 1: yêu cầu trong suốt, đạt pH 6,5 - 6,8.
Dịch ép lọc lần 2: yêu cầu trắng, trong, pH=6,5 - 6,8; kiểm tra quá lượng Na2S không còn kết tủa sắt.
Quá trình cô đặc kết tinh bắt đầu khi nồng độ dịch còn thấp, lúc này các phân tử natri glutamat phân bố riêng lẻ và xen kẽ giữa các phân tử nước.
Quá trình cô đặc phân tử nước giảm dần do tác động của nhiệt chân không và sự chuyển động hỗn loạn khi lượng nước giảm Mật độ phân tử glutamat natri tăng lên, dẫn đến tần suất va chạm cao hơn, từ đó hình thành các liên kết đa phân tử.
Các tập hợp phân tử dần lớn lên thành các hạt nhỏ mà mắt thường có thể thấy được Những hạt này có thể liên kết với nhiều phân tử đơn độc để tạo thành hạt lớn hơn, trong khi một số hạt lại liên kết với nhau Sự liên kết giữa các phân tử không có hệ chỉ đạo nào, chỉ phụ thuộc vào ngẫu nhiên Khi các phân tử nước giảm xuống mức nhất định, các phân tử glutamat natri có khả năng liên kết với nhau Nếu trong hỗn hợp có sẵn các đại phân tử, các phân tử đơn độc sẽ có khả năng hoặc là liên kết xung quanh đại phân tử, hoặc là liên kết với nhau để tạo ra các đại phân tử mới Cả hai khả năng này đều xảy ra khi gặp nước, nhưng với đại phân tử có hàng vạn phân tử, sự mất đi của vài phân tử không làm thay đổi cấu trúc của nó Ngược lại, với đa phân tử chỉ có vài chục thành viên, chúng dễ dàng bị tan rã thành các phân tử đơn độc.
Xuất phát từ nguyên tắc đó mà ta có quy trình kĩ thuật cô đặc kết tinh mì chính trong tinh thể như sau:
Để tiến hành cô đặc, cho dịch trung hòa với nồng độ 20 - 21℃Be vào nồi cô đặc, sử dụng khoảng 80% tổng lượng dịch Quá trình cô đặc được thực hiện ở nhiệt độ 70℃C, với áp suất chân không 600 mmHg và áp suất hơi không vượt quá 1 kg/cm2.
Khi dịch đạt nồng độ 31,5 - 32℃Be, cần kích hoạt cánh khuấy của nồi cô đặc và sử dụng áp lực chân không để hút mầm tinh thể vào Mầm tinh thể này là mì chính được sàng từ mẻ trước, có kích thước hạt nhỏ và đồng đều, với lượng mầm tiếp vào khoảng 7% so với tổng lượng mì chính trong quá trình cô đặc.
Sau khi tiếp mầm, pha loãng 20% dịch còn lại đến khoảng 12℃Be và gia nhiệt lên 60℃C Tiếp tục bổ sung dịch vào nồi cô đặc sao cho lượng bổ sung cân bằng với lượng bốc hơi Khi mầm tinh thể lớn dần, cần chú ý quan sát; nếu xuất hiện tinh thể nhỏ, bổ sung nước ngưng tụ đã gia nhiệt 60℃C để phá đi Tiếp tục quá trình cô đặc cho đến khi mầm tinh thể đạt kích thước mong muốn, sau đó ngừng cô đặc và nhanh chóng cho vào ly tâm.
Ly tâm là quá trình sử dụng một ít nước ấm, sạch để làm tan những hạt kết tinh nhỏ bám trên bề mặt tinh thể mì chính, giúp tinh thể trở nên sáng bóng hơn Qua quá trình này, ta thu được mì chính tinh thể và nước cái, trong đó mì chính tinh thể sẽ được sấy khô, còn nước cái sẽ được pha vào và cô đặc với mẻ sau.
Nếu các chỉ tiêu kỹ thuật không chấp hành nghiêm ngặt thì có thể xảy ra một trong những hiện tượng sau:
Mì chính thường không kết tinh thành tinh thể nhỏ như mong đợi, mà tạo thành khối lớn nằm chặt trong nồi Để xử lý, cần cho nước nóng vào hòa tan và sau đó cô đặc lại thành mì chính bột Trong quá trình này, một số mì chính có thể bị cháy, dẫn đến việc thu được mì chính màu vàng cháy.
- Mầm tinh thể tiếp vào bị hoà tan hết.
Kết tinh dày đặc trong quá trình sản xuất mì chính dẫn đến sự xuất hiện của các tinh thể nhỏ bên cạnh mầm tinh thể Kết quả là sản phẩm thu được có sự pha trộn giữa bột và tinh thể, không đạt tiêu chuẩn chất lượng.
Mì chính có khả năng hút ẩm nhanh chóng, vì vậy cần xử lý ngay sau khi ly tâm Để bảo quản, hãy rải mì chính đều vào thau nhôm và đưa vào tủ sấy, với độ dày lớp mì chính khoảng 2-3 cm Đảm bảo nhiệt độ trong lò sấy không vượt quá mức quy định.
80 0 C, cứ 30 phút đảo trộn 1 lần, sấy đến khi độ ẩm mì chính còn lại ≤ 0,5% Thời gian sấy khoảng 2 giờ.
Người ta dùng các loại sàng 12 lỗ, 24 lỗ, 36 lỗ/inch.
+ Loại trên sàng 12 lỗ là loại vón cục hoặc quá to, có thể hoà ra nước đưa vào cô đặc mẻ sau
+ Loại trên sàng 24 lỗ và trên sàng 36 lỗ đều là chính phẩm.
+ Loại dưới sàng 36 lỗ dùng làm mầm tinh thể cho mẻ sau
Mì chính sau khi được sàng lọc và phân loại sẽ được cân và đóng gói trong túi PE dày Trọng lượng của mỗi túi có thể dao động từ 100 gram đến 1 kg, hoặc theo các đơn vị cân Anh tùy theo yêu cầu.
1 pound (0,454 kg) Trên bao bì phải ghi rõ theo quy định về nhãn của bao bì (ngày sản xuất, trọng lượng tịnh,…).
