ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TÔN NỮ MINH NGUYỆT NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CÁC ĐIỀU KIỆN THÍCH HỢP ĐÊ CỐ ĐỊNH NẤM MEN SACCHAROMYCES CEREVISIAE TRONG GEL ALGINATE VÀ TRÊN CELLULOSE VI KHUẨN NHẰM ỨNG DỤNG LÊN MEN RƯỢU VANG NHO Chuyên ngành: Chế biến Thực phẩm và Đồ uống Mã số chuyên ngành: 62540201 Phản biện độc lập 1: GS TS Hoàng Đình Hòa Phản biện độc lập 2: PGS TS Lý Nguyễn Bình Phản biện 1: GS TSKH Lưu Duẩn Phản biện 2: PGS TS Phạm Thu Thủy Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Thúy Hương NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo yêu cầu Tác giả luận án Tôn Nữ Minh Nguyệt TĨM TẮT ḶN ÁN Với mục đích so sánh khả lên men nấm men cố định gel alginate nấm men cố định cellulose vi khuẩn q trình lên men sản xuất rượu vang nho, nội dung nghiên cứu luận án gồm có bốn phần Phần 1: Xác định thơng số thích hợp cho q trình cố định nấm men hạt gel alginate chất mang cellulose vi khuẩn phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao hai yếu tố, hàm mục tiêu hiệu suất cố định tế bào Nguyên liệu sư dụng để làm chất mang đều có nguồn gốc nội địa Phần 2: So sánh khả lên men rượu vang nấm men cố định gel alginate, nấm men cố định cellulose vi khuẩn nấm men tự thông qua khả sinh trưởng, sư dụng chất sinh tổng hợp sản phẩm Phần 3: Nghiên cứu trình tái sư dụng loại nấm men cố định để lên men rượu vang Việc tái sư dụng nấm men cố định tiến hành liên tục 10 chu kỳ lên men Động học trình lên men ở số chu kỳ trình bày chi tiết Chúng so sánh khả tái sư dụng hai loại nấm men cố định gel alginate cellulose vi khuẩn dựa thời gian lên men, tốc độ sư dụng đường, tốc độ sinh tổng hợp ethanol, tỷ lệ tế bào thoát khỏi chất mang, độ bền chất mang qua chu kỳ tái sư dụng Phần 4: Thiết lập phương trình cân vật chất q trình lên men sản xuất rượu vang nho với nấm men cố định cellulose vi khuẩn, nấm men cố định hạt gel alginate nấm men tự Kết nghiên cứu khẳng định ưu nấm men cố định so với nấm men tự nổi trội nấm men cố định cellulose vi khuẩn trình lên men vang Cả hai loại nấm men cố định đều có thể tái sư dụng 10 chu kỳ hoạt tính lên men chúng ln ln cao so với hoạt tính lên men nấm men tự ABSTRACT The objective of this research was to compare the fermentation performance of the immobilized yeast in alginate gel and the immobilized yeast on bacterial cellulose during the primary fermentation in wine-making The experimentation consisted of four sections Section – Determination of technological parameters for yeast immobilization in alginate gel and for yeast immobilization on bacterial cellulose by Face Centered Central Composite Design with two factors The dependent variable was yield of cell immobilization The supports like sodium alginate and bacterial cellulose used in this study were originated from our country Section – Comparison of fermentation ability in wine-making of the immobilized yeast in alginate gel, the immobilized yeast on bacterial cellulose and the free yeast: Yeast growth, substrate uptake and metabolite production were evaluated and compared Section – Investigation of the reuse of immobilized yeast in wine fermentation: The fixed yeast in alginate gel and the fixed yeast on bacterial cellulose were reused for 10 cycles in the repeated batch fermentation The fermentation kinetics of several cycles were presented in detail The fermentation performance of the two immobilized yeasts was evaluated and compared by the fermentation time, sugar uptake rate, ethanol formation rate, level of number of cells escaped from the support, stability of the support during the reuse Section – Establishment of stoichiometric equations of the primary fermentation in wine – making for the immobilized yeast in alginate gel, the immobilized yeast on bacterial cellulose and the free yeast The experimental results showed that the fixed yeast always exhibited higher fermentation performance than the free yeast in wine-making; the fermentation activities of the immobilized yeast on bacterial cellulose were better than those of the immobilized yeast in alginate gel Both the two fixed yeasts could be reused at least for 10 cycles in the repeated batch fermentation and the fermentation activities of them were always higher than those of the free yeast LỜI CÁM ƠN Thực hoàn thành luận án khoảng thời gian dài với những khó khăn chung riêng, tơi nghĩ sẽ khơng bao giờ làm bên cạnh tơi khơng có những quan tâm giúp đỡ thầy cơ, gia đình bạn bè Khơng thể kể hết những mà nhận thực luận án Tôi cảm kích biết ơn tất những điều ấy… Lời cảm ơn trân trọng xin gưi đến PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn, thầy hướng dẫn luận án cũng chủ nhiệm môn Công nghệ Thực phẩm Từ những công sức mà thầy dành cho, cảm nhận sâu sắc câu “không thầy đố làm nên” Xin cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thúy Hương cho giống vi sinh vật cùng với cách chuẩn bị chất mang cellulose vi khuẩn để cố định nấm men Những ý kiến đóng góp chân tình giúp tơi nhiều q trình nghiên cứu Xin cảm ơn PGS.TS Ngô Đăng Nghĩa cung cấp chất mang alginate sư dụng luận án Xin cảm ơn thầy cô, bạn đồng nghiệp tại mơn Cơng nghệ Thực phẩm ln động viên, góp ý kiến, hỗ trợ gánh bớt công việc để tơi hồn thành luận án Xin cảm ơn giúp đỡ thầy Khoa Kỹ thuật Hóa học, phòng Đào tạo Sau Đại học, đơn vị hỗ trợ phân tích: Trung tâm Hóa Dầu, Trung tâm sắc ký Hải Đăng, phòng thí nghiệm Cơng nghệ cao, Viện Cơng nghệ Hóa học Xin cảm ơn giúp đỡ em sinh viên, học viên việc thực thực nghiệm, xư lý số liệu kết thí nghiệm, cơng bố báo… Cuối cùng, xin cảm ơn mẹ gia đình ủng hộ tinh thần cũng động lực cho cố gắng Hồn tất luận án, trở thành TS., khơng chỉ mong muốn cá nhân mà cũng mong đợi niềm tự hào mẹ Tôi sẽ cất giữ biết ơn lòng mãi ! Nghiên cứu sinh Tôn Nữ Minh Nguyệt MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG MỤC LỤC HÌNH DANH MỤC MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADH DCM DEAE-cellulose GAE : Alcohol dehydrogenase : Deligninfied cellulose material, cellulose tách lignin : Diethylaminoethyl-cellulose : Gallic acid equivalents, hàm lượng tính theo acid gallic MLF : Malolactic fermentation, trình lên men malolactic Nmcđ/A Nmcđ/Akn : Nấm men vang cố định gel alginate : Nấm men cố định gel alginate không ngâm dung dịch CaCl2 sau mỗi chu kỳ tái sư dụng : Nấm men cố định gel alginate ngâm dung dịch CaCl2 sau mỗi chu kỳ tái sư dụng : Nấm men vang cố định cellulose vi khuẩn : Nấm men tự : Scaned electronic microscope, kính hiển vi điện tư quét Nmcđ/An Nmcđ/B Nmtd SEM -9- MỞ ĐẦU Rượu vang thức uống lên men từ dịch nho sư dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae [1], [2] Rượu vang nhiều người ưa thích hương vị đặc trưng những tác dụng có lợi cho sức khỏe [3], [4] Yếu tố định chất lượng sản phẩm rượu vang, bên cạnh nguyên liệu nho, giống nấm men Giống nấm men xem mấu chốt công nghệ để tạo những loại rượu vang có chất lượng khác Những chủng nấm men vang thuộc loài Saccharomyces cerevisiae phân lập từ nho trình lên men rượu vang tự nhiên cấy chuyền lưu giữ để phục vụ cho ngành công nghiệp rượu vang Hiện nay, hầu hết nhà máy sản xuất rượu vang, bao gồm những nhà máy ở Việt Nam, sư dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae dạng tự để lên men rượu vang Mặc dù chất lượng sản phẩm ổn định so với rượu vang lên men tự nhiên, việc sư dụng nấm men tự để lên men rượu vang còn nhiều nhược điểm Đặc biệt tiến hành lên men những điều kiện khơng thuận lợi sinh trưởng cũng khả sinh tổng hợp sản phẩm trao đổi chất nấm men tự bị ức chế rõ rệt [5], [6], [7] Một những giải pháp để khắc phục nhược điểm sư dụng nấm men cố định Các nghiên cứu về sư dụng nấm men cố định sản xuất rượu vang đều cho thấy nấm men cố định có nhiều ưu điểm hẳn so với nấm men tự [8], [9] Ngoài ra, khả tái sư dụng nấm men cố định còn đem lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế chi phí sản xuất giảm Để cố định nấm men lên men rượu vang, phương pháp keo tụ tế bào tỏ khơng thích hợp những tế bào nằm tại vùng tâm khối keo tụ khó tiếp xúc với chất [10], [11]; phương pháp nhốt tế bào màng membrane hay vi bao cũng sư dụng membrane dễ bị tắt nghẹt bởi chất keo có dịch nho [12] Đối với phương pháp nhốt tế bào cấu trúc gel, nhiều loại chất mang sư dụng alginate [13], [14], agar [15], gelatin [16], κ-carrageenan [17], polyacrylamide [18], polystyrene [19] Alginate vật liệu sư dụng phổ biến nhất; 80% nghiên cứu về cố định tế bào giới sư dụng alginate Chế phẩm nấm men cố định -10- 10 ... kiện thích hợp để cố địnhXác định các điều kiện thích hợp để cố định nấm men vang cellu nấm men vang gel alginate Xác định điều kiện thích hợp để cố định nấm men theo phương... các điều kiện thích hợp để cố định nấm men Saccharomyces cerevisiae gel alginate và cellulose vi khuẩn nhằm ứng dụng lên men rượu vang nho? ?? Chúng sẽ tiến hành nghiên cứu cách hệ... nghiệm So sánh hoạt tính lên men nấm men cố định cellulose vi khuẩn theo hai phương ph át và so sánh khả lên men của nấm men tự do, nấm men cố định gel alginate và cellulose vi khuẩn