ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

------------

 ----------

BÁO CÁO KẾT QUẢ
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ENZYME ĐỂ SẢN XUẤT
ĐƯỜNG CHỨC NĂNG XYLOSE TỪ LÕI NGÔ DÙNG TRONG CÔNG
NGHIỆP THỰC PHẨM

T2012 - 03

MÃ SỐ:
CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI:

TRẦN THỊ LÝ

THÁI NGUYÊN - 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số
liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa được sử
dụng trong bất kỳ một nghiên cứu nào.
Tôi xin cam đoan, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều đã được chỉ


4

2.1. Giới thiệu chung về đường xylose .......................................................

4

2.1.1. Đặc điểm của đường xylose ..............................................................

4

2.1.2. Các phương pháp sản xuất đường xylose …………………………..

6

2.1.3. Ứng dụng của đường xylose ……………………………………..... 10
2.2. Enzyme xylanase .................................................................................. 12
2.2.1. Cấu tạo và cơ chế xúc tác của enzyme xylanase ………………….. 12
2.2.2. Nguồn enzyme xylanase …………………………………………… 14
2.2.3. Ứng dụng thực tiễn của xylanase ………………………………….. 16
2.3. Lõi ngô - nguồn xylan ……………………………………………….. 19
2.4. Tình hình nghiên cứu và sản xuất đường xylose trên thế giới và ở
Việt Nam ……………………………………………………………......... 22
2.4.1. Tình hình nghiên cứu và sản xuất đường xylose trên thế giới……... 22
2.4.2. Tình hình nghiên cứu và sản xuất đường xylose ở Việt Nam ........... 24
PHẦN III. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.. 26

3.1. Đối tượng và vật liệu nghiên cứu…………………………………...... 26
3.1.1. Đối tượng và vật liệu ……………………………………………..... 26
3.1.2. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất …………………………………........ 26

đường xylose bằng enzyme xylanase …………………………………….. 43
4.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme xylanase đến hiệu quả thủy phân
xylan ……………………………………………………………………… 43
4.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến hiệu quả thủy phân xylan …... 45
4.2.3. Ảnh hưởng của thời gian thuỷ phân đến hiệu quả thủy phân xylan .. 47
4.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả thủy phân xylan …………… 49
4.2.5. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả thủy phân xylan ………………… 51
4.3. Nghiên cứu công nghệ tách chiết, làm sạch và thu hồi đường xylose
quy mô thí nghiệm ………………………………………………………... 52
4.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ than hoạt tính đến hiệu quả tinh sạch dịch


đường sau thủy phân ……………………………………………………... 52
4.3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ tinh thể đường xylose bổ sung để làm mồi đến
quá trình kết tinh thu hồi đường xylose ………………………………….

54

4.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình sấy khô đường … 56
4.4. Đánh giá chất lượng của đường xylose thành phẩm và đưa ra quy
trình sản xuất xylose từ lõi ngô …………………………………………... 57
PHẦN V. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ………………………………….. 60
5.1. Kết luận ………………………….…………………………………... 60
5.2. Đề nghị ………………………….…………………………………… 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………….…………………... 61
PHỤ LỤC ………………………….…………………………………...... 66


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.6. Khả năng sinh enzyme xylanase trên phế phụ phẩm nông

làm mồi đến hiệu suất kết tinh .................................................................. 55
Bảng 4.12. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình sấy khô đường ............ 56
Bảng 4.13. Thành phần của đường xylose sản xuất .................................. 57

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Công thức cấu tạo của đường xylose.........................................

4

Hình 2.2. Công thức cấu tạo của Xylan....................................................

5

Hình 2.3. Công thức cấu tạo hóa học của một số loại xylan ....................

6

Hình 2.4. Ứng dụng chính của đường Xylose............................................ 11
Hình 2.5. Tác động của các loại enzyme xylanase lên mạch xylan …….. 14

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 3.1. Quy trình dự kiến sản xuất đường xylose bằng enzyme
xylanase …………………………………………………………………. 29
Sơ đồ 4.14. Quy trình công nghệ sản xuất đường xylose từ lõi ngô…….. 58


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết thường


Xylooligosaccharide

DNS

Dinitro Salicylic


TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ
Tên đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ enzyme để sản xuất
đường chức năng xylose từ lõi ngô dùng trong công nghiệp thực phẩm”.
Mã số: T2012-03
Chủ trì đề tài: Trần Thị Lý

Tel.: 0934 281 481

E-mail:
Cơ quan chủ trì đề tài: Đại học Nông Lâm Thái Nguyên
Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện:
1. Phạm Thị Vinh - Giảng viên Khoa Công nghệ sinh học và công
nghệ thực phẩm - Trường đại học Nông Lâm Thái nguyên
Thời gian thực hiện: Từ tháng 6 năm 2012 đến tháng 6 năm 2013
1. Mục tiêu:
Xác định được các thông số cơ bản của các công đoạn chính trong quy
trình sản xuất đường xylose từ lõi ngô bằng phương pháp thủy phân enzyme
dùng trong công nghiệp thực phẩm.
2. Nội dung chính:
- Xác định các thông số công nghệ trong xử lý nguyên liệu lõi ngô.
- Xác định các thông số của quá trình thủy phân dịch xylan thành

The subject of science and technology level basic

Name of title: " Research on the application of enzyme technology to
produce function sugar xylose from corn used in food industry "

Code number: T2012-03
Author: Tran Thi Ly

Tel: 0934 281 481

E-mail:
Implementing Institution: Thai Nguyen University of Agriculture and
Forestry.
Cooperating Institution(s):
Pham Thi Vinh - Lecturer faculty of biotechnology and food
technology - Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry.
Duration: From March 2012 to March 2013
1. Objectives: Identify the basic parameters of the main steps in the
production process sugar xylose from corn by enzyme hydrolysis methods
used in the food industry
2. Main contents:
- Determine the parameters of technologies in handling corn cobs
- Determine the parameters of the hydrolysis of xylan solution into
xylose by xylanase
- Determine a number of technological parameters of the process of
extraction, clean up and recovery xylose in laboratory


- Assess the quality of the final xylose and provide manufacturing
process xylose from corn cobs

sinh học có lợi cho sức khỏe như phòng chống bệnh tiểu đường, không gây
béo phì, có khả năng kích thích hoạt động của hệ tiêu hóa… Các loại đường
chức năng phổ biến hiện có là đường xylooligosaccharide, panatinose,
maltitol, fructooligosaccharide, xylose, lactitol, galactooligosaccharide. Trong
số đó, đường xylose đang có xu hướng gia tăng ở nhiều quốc gia trên thế giới
với các ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm như
làm chất phụ gia thực phẩm, bổ sung vào các loại đồ uống dinh dưỡng, làm
nguyên liệu đầu của thuốc tổng hợp điều trị bệnh ung thư, phòng chống một
số bệnh (tiểu đường, mất ngủ, đường ruột,…).
Xylose là một đường năm cacbon có công thức phân tử C5H1005 còn
được gọi là “đường gỗ” vì có mặt trong nhiều loại gỗ. Xylose là thành phần
chủ yếu của đường pentose - một trong hai nhóm đường chính thu được khi
thủy phân hemicellulose trong nguyên liệu gỗ và các chất thải xơ nông nghiệp
như rơm lúa mỳ, lúa nước, thân và lõi ngô. Khi thuỷ phân rơm rạ thu được
khoảng 18% pentose và 26,8% hexose [4]. Chính vì vậy, hiện nay trên thế
giới đã có nhiều công trình nghiên cứu sản xuất đường xylose bằng cách lên
men các nguyên liệu giàu xylan như các chất thải nông nghiệp. Với phương
pháp này, xylose được sản xuất từ các nguyên liệu giàu xylan. Các nguyên
liệu này trước hết được thủy phân axit để tạo thành dịch chứa xylan. Sau đó,
dùng các vi sinh vật sử dụng xylan làm nguồn cacbon để lên men tạo dịch
1


thủy phân enzyme chứa xylose [16]. Đường xylose được thu hồi trong một số
ần công đoạn tiếp theo rồi thường được sấy phun. Sản xuất xylose theo
phương pháp thủy phân enzyme nhờ vi sinh vật có nhiều ưu điểm so với
phương pháp sản xuất hóa học.
Việc nghiên cứu sản xuất đường xylose ở Việt Nam còn rất mới mẻ và
chưa có nhiều kết quả được công bố. Trong khi nước ta là một nước nông
nghiệp rất phong phú nguồn tài nguyên chất thải xơ, trong đó có lõi ngô. Hầu

59% glucose và khoảng vài phần trăm các đường khác (arabinose, galactose,
mannose…). Khi thuỷ phân rơm rạ thu được khoảng 18% pentose và 26,8%
hexose [1]. Công thức cấu tạo của đường xylose được thể hiện ở hình 2.1.

Hình 2.1. Công thức cấu tạo của đường xylose
Xylose là thành phần chủ yếu thuộc đường pentose, cùng với glucose là
hai nhóm đường chính thu được khi thủy phân hemicellulose trong nguyên liệu
gỗ và chất thải nông nghiệp. Khi thủy phân hemicellulose bằng axit có thể giải
phóng ra nhiều loại đường khác nhau ngoài đường xylose như D - galactose, D glucose, D - mannose và L - arabinose. Kèm theo đó còn là các sản phẩm thủy
phân khác như fucfural, 5 - hydroxymethyl fucfural, axit acetic, axit syringic
[32].
Khi một chuỗi các nhóm xylose liên kết với nhau qua liên kết β - (1 - 4)
glycoside và phân nhánh bởi các chuỗi carbonhydrate ngắn như axit D glucuronic hoặc đồng phân của nó 4 - O - methylether, α - arabinose hoặc các
Oligosaccharide tạo thành từ D - xylose, L - arabinose, D - hay L - galactose
và D - glucose sẽ tạo thành xylan.
3


Cấu tạo của xylan được thể hiện qua hình 2.2.

Hình 2.2. Công thức cấu tạo của xylan
Thành tế bào thực vật là một vật liệu phức tạp trong đó cellulose chiếm
35-50%, hemicellulose chiếm 20-30%. Xylan là thành phần chính cấu tạo nên
hemicellulose. Xylan được tìm thấy chủ yếu trong cấu trúc thứ cấp của thành
tế bào thực vật và tạo thành pha giữa giữa lignin và các hợp chất
polysaccharide khác [28].
Xylan gồm nhiều loại khác nhau, có thể được chia thành homoxylan và
heteroxylan bao gồm: glucuronoxylan, (arabino) glucuronoxylan, (glucurono)
arabinoxylan, arabinoxylan và tổ hợp heteroxylan. Homoxylan có cấu tạo bao
gồm các xylopyranose được liên kết với nhau bởi liên kết β - (1 - 3) glycoside

5


cầu về công nghệ nhưng có nhược điểm là gây hao mòn thiết bị, tạo sản phẩm
có độ tinh khiết thấp và không an toàn cho người sử dụng nếu chưa xử lý hết
lượng acid dùng để thuỷ phân, gây ô nhiễm môi trường bởi lượng acid thải ra.
Các nghiên cứu trước đây đưa ra quy trình sản xuất đường xylose từ
nguyên liệu lignocellulose có chứa hemicellulose, quy trình bao gồm các
bước như sau:
- Thủy phân lignocellulose với nước để tạo ra phần hoà tan và phần
không hoà tan. Phần hoà tan có chứa đường xylose, phần không hoà tan có
chứa lignin và cellulose.
- Tách phần không tan từ dịch thuỷ phân.
- Xử lý phần hoà tan có chứa đường xylose để dịch chuyển các chất
hữu cơ và các ion ra ngoài.
- Tập trung phần có chứa đường xylose thành dạng sirô có chứa 20% 40% nước.
- Trộn sirô với ethanol để tạo thành dạng ethanolic hòa tan và kết tinh
đường xylose từ dạng ethanolic hòa tan.
Trong sản xuất xylose từ nguyên liệu lignocellulose quy mô thương
mại, vấn đề quan trọng là phải giảm thiểu tối đa lượng xylose bị mất đi khi
tách xylose ra khỏi sản phẩm sau thủy phân. Quy trình sản xuất đường xylose
từ nguyên liệu lignocellulose quy mô thương mại gồm các bước như sau:
Bước 1: Thủy phân nguyên liệu bằng dung dịch axit để tạo ra hai phần.
Phần hoà tan chứa xylose và phần không hòa tan chứa lignin và cellulose.
Dung dịch axit nên được sử dụng ở nồng độ 0,5 - 5%. Có thể sử dụng axit vô
cơ (như axit H2SO4, HCl hoặc H3PO4) hoặc axit hữu cơ (như acetic hoặc
trifluoracetic). Trong quá trình thủy phân hỗn hợp phản ứng được duy trì ở
nhiệt độ từ 70 - 270oC. Thời gian thủy phân từ 2 phút đến 2 giờ. Quá trình
thủy phân được tiến hành trong sự kết hợp của cả 3 yếu tố: nhiệt độ, nồng độ
axit và thời gian.

Với phương pháp sản xuất xylose bằng phương pháp lên men nhờ vi sinh
vật xylose được sản xuất từ các nguyên liệu giàu xylan. Nguyên liệu trước hết
7


được thủy phân để tạo thành dung dịch chứa xylan. Sau đó các vi sinh vật sử
dụng xylan làm nguồn cacbon để lên men dịch thủy phân [32]. Đường xylose
được thu hồi bằng phương pháp cô quay chân không và sấy phun. Sản xuất
xylose theo phương pháp lên men xylan nhờ vi sinh vật có nhiều ưu điểm hơn
so với phương pháp hóa học như tạo ra sản phẩm an toàn hơn, không gây ô
nhiễm môi trường hay làm hao mòn thiết bị. Phương pháp này có nhược điểm
là công nghệ yêu cầu cao hơn, hiệu suất thuỷ phân thấp hơn so với phương
pháp hoá học. Việc thu nhận và tinh sạch đường xylose gặp nhiều khó khăn
do dịch lên men ngoài đường xylose còn lẫn rất nhiều tạp chất như đạm, muối
vô cơ, acid amin. Đường xylose lại dễ tạo phản ứng Maillard với axit amin
tạo sản phẩm có màu sẫm.
Haltrich cùng các cộng sự đã chỉ ra một số vi sinh vật có thể sử dụng để
lên men xylan bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc như Aspergillus,
Trichoderma, Bacillus, Cryptococcus, Penicillium, Aureobasidium, Fusarium, Chaetomium, Phanerochaete, Rhizomucor, Humicola, Talaromyces
[32]. Các loại vi sinh vật này có khả năng sinh enzyme xylanase vào môi
trường lên men có chứa nhiều xylan. Hiện nay đã có khá nhiều nghiên cứu về
các chủng vi sinh vật trên trong đó các nghiên cứu tập chung chủ yếu vào sử
dụng nấm mốc Aspergillus nige để lên men xylan [29]. Pang Pei Kheng và
cộng sự đã sử dụng phần mềm của thực vật ngọt làm chất nền để phân lập và
tuyển chọn được chủng nấm mốc Aspergillus niger USA AI 1. Sau đó sử
dụng chủng nấm mốc này để lên men xylan. Theo Pang Pei Kheng, sử dụng
Aspergillus niger để lên men không những nâng cao được năng suất, hiệu quả
lên men mà còn tận dụng được các phế phụ phẩm của ngành nông nghiệp như
lõi ngô, bã mía, rơm rạ [34].
b) Sản xuất xylose bằng phương pháp enzyme

1,4% saccharide chuyển thành xylan [29].
2.1.3. Ứng dụng của đường xylose
Xylose là một loại đường tự nhiên có nhiều ứng dụng trong thực tế.
Hiện nay, xylose đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại sản phẩm
9


khác nhau ở nhiều quốc gia trên thế giới. Phạm vi ứng dụng của xylose chủ
yếu thuộc về hai lĩnh vực chính là công nghiệp thực phẩm và dược phẩm [13].
Những ứng dụng chính của đường xylose được thể hiện ở hình 2.4.
Xylose

Công nghiệp thực phẩm

Dược phẩm

- Thành phần của các thực
phẩm chức năng: sử dụng
cho người bệnh tiểu đường,
người béo phì,…

- Nguyên liệu đầu cho các
loại thuốc điều trị ung thư,
AIDS, bệnh tiểu đường, béo
phì,…

- Phụ gia thực phẩm: tạo
hương vị, tạo màu trong chế
biến một số thực phẩm,…


2.2.1.1. Cấu tạo của enzyme xylanase
Các xylanase có cấu tạo gồm nhiều chuỗi polypeptide xoắn lại với nhau
tạo cấu trúc bậc 2 và tiếp tục cuộn xoắn trong không gian để tạo thành cấu
trúc bậc 3. Các chuỗi có cấu trúc bậc 3 kết hợp với nhau tạo cấu trúc bậc 4
[31]. Ở mức phân tử protein, xylanase gồm vùng chức năng, vùng không chức
năng và vùng nối. Vùng nối thường có nhiều amino axit, hydroxyl được
glycosyl hóa ở vị trí O. Sự glycosyl hóa này giúp chúng không bị enzyme
protease phân cắt. Vùng chức năng được chia thành vùng xúc tác và vùng
bám cơ chất, hai vùng này có thể tách biệt nhau về cấu trúc hoặc không. Tính
chất của xylanase có mối tương quan rất lớn đến các gốc hydro liên kết với
các xylanase. Nếu xylanase có tính bazơ thì amino axit là asparagines,
xylanase có tính axit thì amino axit là aspartic [28].
2.2.1.2. Cơ chế xúc tác của enzyme xylanase
Cơ chế hoạt động của xylanase bao gồm các bước sau [6, 29]:
Bước 1: Enzyme xylanase nhận mặt xylan và liên kết với nó bằng cách
thay đổi cấu hình ở phần cánh trái cuộn xoắn lại 3 lần.
Bước 2: Gốc xylosyl ở vị trí thứ nhất bị vặn méo và hút về phía gốc xúc
tác, liên kết glycoside bị kéo căng và bị bẻ gãy và tạo thành dạng trung gian
đồng hóa trị enzyme-cơ chất.
11


Bước 3: Dạng trung gian bị tấn công bởi một phân tử nước hoạt động.
Phân tử nước này tách thành ion H+ và OH-. Ion H+ gắn vào gốc glycosyl vừa
được tách ra trong khi ion OH- gắn vào đầu khử của mạch xylan vừa tạo ra
theo cơ chế thủy phân glycosyl, nhờ đó sản phẩm được giải phóng, đồng thời
enzyme tiếp tục xúc tác cho phản ứng khác.
Sơ đồ tóm tắt của quá trình như sau:
Xylanase + xylan


2.2.2. Nguồn enzyme xylanase
Trong thời gian gần đây việc nghiên cứu sản xuất enzyme xylanase đã
thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, trong đó các công trình
nghiên cứu sản xuất enzyme xylanase chủ yếu từ vi sinh vật như nấm và vi
khuẩn [6].
13