Nghiên cứu quá trình tinh sạch fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano

FOS là một trong những loại prebiotic được nghiên cứu nhiều nhất do có có tác
dụng tăng cường số vi khuẩn Bifido trong ruột, là các oligomer fructose trong đó các
nhóm fructosyl được gắn với saccharide ở vị trí β-2,1 với 3 thành phần phổ biến là 1kestose, nystose và 1F-fructofuranosylnystose. FOS có thể thu nhận từ các loại thực vật
hoặc tổng hợp bằng phương pháp enzyme. Nồng độ FOS % (w/w) trong sản phẩm thấp
do glucose, sản phẩm phụ của phản ứng, ức chế hoạt tính của enzyme, làm giảm chất
lượng và khối lượng FOS, hàm lượng FOS tối đa chỉ khoảng 60%. Để nâng cao hàm
lượng FOS, có thể áp dụng các quá trình tinh sạch, lọc nano là một phương pháp có nhiều
tiềm năng để ứng dụng trong lĩnh vực này.
Nghiên cứu này tập trung giải quyết các vấn đề sau:
¾ Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đối với hoạt động của membrane
¾ Tối ưu hai thông số được dùng để đánh giá hoạt động của membrane là độ
phân riêng chất tan và tốc độ dịng
¾ Khảo sát các q trình diafiltration với các tỷ lệ lưu lượng nước bổ sung/lưu
lượng permeate khác nhau để nâng cao độ tinh sạch của sản phẩm
Kết quả đạt được như sau:
1) Xác định được quy luật ảnh hưởng của các yếu tố đến hoạt động của membrane và
khoảng thích hợp của các yếu tố
2) Q trình tối ưu cho kết quả như sau:
a) Membrane DS-5-DL:
¾ Lưu lượng nhập liệu: 6 lít/phút.
¾ Áp suất nhập liệu: 25 bar
Ở điều kiện tối ưu:
¾ Độ phân riêng monosaccharide: 78,05%
¾ Tốc độ dòng 127 L/m2.giờ


b) Membrane G5 (DS-GE):
¾ Lưu lượng nhập liệu: 3 lít/phút
¾ Áp suất nhập liệu: 20 bar
Ở điều kiện tối ưu
¾ Độ phân riêng monosaccharide: 22,11%

¾ Độ phân riêng saccharose: 51,37%,
¾ Độ phân riêng FOS: 81,93%
¾ Tốc độ dịng: 53,66 l/m2.giờ
3) Xác định được sự thay đổi nồng độ FOS (%, w/w) và hiệu suất thu hồi FOS khi áp
dụng các quá trình diafiltration khác nhau. Đưa ra được một số giới thiệu và khuyến cáo
khi lựa chọn các quá trình.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN
I. FRUCTOOLIGOSACCHARIDE (FOS) ................................................2
1. Định nghĩa .................................................................................................2
1.1. Prebiotic ..................................................................................................2
1.2. FOS...........................................................................................................3
2. FOS..............................................................................................................3
2.1. Nguồn gốc ...............................................................................................3
2.2. Cơng dụng ................................................................................................4
2.3.Tính chất....................................................................................................5
2.4. Ứng dụng ..................................................................................................6
2.5. Tình hình sản xuất ..................................................................................7
3. Sản xuất FOS cao độ..................................................................................9
3.1. Phương pháp enzyme ..............................................................................9
3.2. Phương pháp membrane .........................................................................10
3.3. Phương pháp lên men..............................................................................11
3.4. Các phương pháp khác ............................................................................12
II. LỌC NANO

........................................................................... 14

1. Định nghĩa...................................................................................................14
1.1. Thẩm thấu ngược ....................................................................................14
1.2. Membrane................................................................................................14
1.3. Động lực của quá trình lọc membrane..................................................16
1.4. Quá trình lọc cross-flow .........................................................................16
1.5. Các quá trình phân riêng bằng membrane ..........................................17
1.5.1. Lọc thẩm thấu ngược (RO) .................................................................17
1.5.2. Lọc nano (NF).......................................................................................17


1.5.3. Siêu lọc (UF) .........................................................................................18
1.5.4. Vi lọc (MF)............................................................................................18
1.6. Quá trình diafiltration ............................................................................19
2. Membrane ..................................................................................................22
2.1. Phân loại membrane ...............................................................................22
2.1.1. Membrane đối xứng..............................................................................22
2.1.2. Membrane không đối xứng ................................................................23
2.2. Vật liệu chế tạo membrane.....................................................................26
3. Các dạng thiết bị membrane.....................................................................29
3.1. Thiết bị sợi ...............................................................................................29
3.2. Thiết bị dạng ống.....................................................................................30
3.3. Thiết bị bảng/tấm ....................................................................................31
3.4. Thiết bị cuộn xoắn...................................................................................32
4. Ứng dụng của các quá trình membrane ..................................................35
4.1. MF ............................................................................................................35
4.2. UF .............................................................................................................36
4.3. RO.............................................................................................................37
4.4. NF .............................................................................................................38
5. Hiện tượng tập trung nồng độ và hiện tượng fouling.............................38
5.1. Hiện tượng tập trung nồng độ.................................................................38

5.2. Hiện tượng fouling ..................................................................................39
6. Lý thuyết của quá trình lọc membrane....................................................42
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
I. THIẾT BỊ ...................................................................................................44
1. Membrane...................................................................................................44
2. Hệ thống NF................................................................................................44
II. NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT ..........................................................46
1. Nguyên liệu .................................................................................................46
1.1. FOS

....................................................................................................46


1.2. Nước RO ..................................................................................................46
2. Hóa chất ....................................................................................................46
III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................................................47
1. Khảo sát sơ bộ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc nano ...............48
2. Tối ưu các thơng số đánh giá q trình ...................................................49
3. Tối ưu đa mục tiêu ....................................................................................50
4. Diafiltration ................................................................................................50
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
I. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ............................53
1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................54
2. Ảnh hưởng của nồng độ.............................................................................57
3. Ảnh hưởng của lưu lượng .........................................................................60
4. Ảnh hưởng của áp suất..............................................................................63
II. TỐI ƯU QUÁ TRÌNH NF........................................................................66
III. DIAFILTRATION ..................................................................................67
1. Membrane G5.............................................................................................67
1.1. CVD

....................................................................................................67

1.2. VVD

....................................................................................................69

1.2.1. Lưu lượng nước bổ sung: lưu lượng permeate 0,95:1 .......................69
1.2.2. Lưu lượng nước bổ sung: lưu lượng permeate 0,9:1..........................70
1.2.3.. Lưu lượng nước bổ sung: lưu lượng permeate 0,85:1.......................71
2. Membrane DS-5-DL ..................................................................................74
2.1. CVD

....................................................................................................74

2.2. VVD

....................................................................................................75

2.2.1. Lưu lượng nước bổ sung: lưu lượng permeate 0,95:1........................75
2.2.2. Lưu lượng nước bổ sung: lưu lượng permeate 0,90:1........................76
KẾT LUẬN ....................................................................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Thành phần FOS của một số loại trái cây ..........................................4
Bảng 2. Đặc tính của FOS so sánh với một số loại đường khác .....................6
Bảng 3. Phân loại membrane theo kích thước lỗ.............................................20

Bảng 4. So sánh hai phương thức diafiltration ................................................22
Bảng 5. Lựa chọn membrane...........................................................................29
Bảng 6 Các vật liệu ứng dụng trong các membrane khác nhau ......................29
Bảng 7. Tác nhân gây fouling quan sát trên 150 bộ lọc
membrane trên thế giới ....................................................................................42
Bảng 8. Các loại membrane dùng trong nghiên cứu .......................................45


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Cấu trúc của một số phân tử FOS .....................................................3
Hình 2. Động học quá trình thủy phân của một số oligosaccharide ở 40ºC ...6
Hình 3. Quá trình tổng hợp FOS .....................................................................8
Hình 4. Sơ đồ hệ thống phức hợp sản xuất FOS cao độ .................................11
Hình 5. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm với bình phản ứng membrane .................11
Hình 6. Hàm lượng FOS và những carbohydrate khác trong quá trình
tổng hợp FOS có cấy nấm men P.pastoris.......................................................12
Hình 7. Lưu đồ q trình sản xuất FOS ở quy mơ cơng nghiệp .....................14
Hình 8. Nguyên tắc của quá trình thẩm thấu và thẩm thấu ngược..................15
Hình 9. Sơ đồ quá trình phân riêng bằng membrane ......................................16
Hình 10. Quá trình lọc cross-flow...................................................................18
Hình 11. Các quá trình phân riêng bằng membrane........................................20
Hình 12. Quá trình diafiltration gián đoạn (trái) và liên tục (phải).................21
Hình 13. Quá trình diafiltration dịng ngược ..................................................22
Hình 14. Một số loại membrane đối xứng ......................................................23
Hình 15. Cấu trúc membrane (a) Membrane vi xốp đối xứng (b)
Membrane vi xốp bất đối xứng ........................................................................23
Hình 16. Cơ chế vận chuyển các chất qua membrane ....................................24
Hình 17. Membrane khơng đối xứng ..............................................................25
Hình 18. Sơ đồ membrane composite .............................................................25
Hình 19. Membrane composite trên giá đỡ vi xốp..........................................26

Hình 20. Các đặc tính của membrane composite ............................................27
Hình 21. Cấu trúc membrane ceramic.............................................................28
Hình 22. Mặt cắt ngang của thiết bị membrane ceramic.................................28
Hình 23. Mặt cắt ngang của sợi rỗng ..............................................................31
Hình 24. Thiết bị dạng ống..............................................................................32
Hình 25. Thiết bị lọc tấm phẳng......................................................................33
Hình 26. Bộ lọc cuộn xoắn..............................................................................34


Hình 27. Bộ lọc cuộn xoắn trong vỏ lọc chịu áp.............................................35
Hình 28. Các hình dạng cơ bản của đệm dạng mạng lưới ...............................35
Hình 29. Đệm dạng bậc thang.........................................................................36
Hình 30. Động học chất lỏng trong mạng lưới đệm........................................36
Hình 31. Quá trình cơ đặc nước quả bằng membrane.....................................39
Hình 32. Hiện tượng tập trung nồng độ ..........................................................40
Hình 33. Ảnh hưởng của hiện tượng tập trung nồng độ tới tốc độ dịng ........40
Hình 34. Các cơ chế gây fouling ở membrane................................................41
Hình 35. Hiện tượng fouling do protein trên bề mặt membrane
MF sau khi lọc sữa gầy ở áp suất 300 psi trong 30 phú...................................41
Hình 36. Sơ đồ hệ thống lọc nano ...................................................................45
Hình 37. Sơ đồ hệ thống lọc nano có tiến hành diafiltration ..........................51
Hình 38. Sự thay đổi điện tích của membrane theo pH ..................................53
Hình 39. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ phân riêng
monosaccharide (DS-5-DL).............................................................................54
Hình 40. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ dịng (DS-5-DL) .......................55
Hình 41. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ phân riêng monosaccharide,
saccharose và FOS (G5)...................................................................................55
Hình 43. Ảnh hưởng của nồng độ tới độ phân riêng
monosaccharide (DS-5-DL).............................................................................57
Hình 44. Ảnh hưởng của nồng độ nhập liệu tới tốc độ dịng (DS-5-DL) .......58

Hình 45. Ảnh hưởng của nồng độ tới độ phân riêng monosaccharide,
saccharose và FOS (G5)...................................................................................58
Hình 46. Ảnh hưởng của nồng độ tới tốc độ dịng (G5) .................................59
Hình 47. Ảnh hưởng của lưu lượng tới độ phân riêng
monosaccharide (DS-5-DL).............................................................................60
Hình 48. Ảnh hưởng của lưu lượng đến tốc độ dòng (DS-5-DL) ...................60
Hình 49. Ảnh hưởng của lưu lượng nhập liệu tới độ phân riêng (G5)............61
Hình 50. Ảnh hưởng của lưu lượng tới tốc độ dịng (G5)...............................61
Hình 51. Ảnh hưởng của áp suất tới độ phân riêng
monosaccharide (DS-5-DL).............................................................................63


Hình 52. Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ dịng permeate (DS-5-DL)........63
Hình 53. Ảnh hưởng của áp suất tới độ phân riêng (G5) ................................64
Hình 54. Ảnh hưởng của áp suất tới tốc độ dịng permeate (G5) ...................64
Hình 55. Sự thay đổi nồng độ chất tan theo số bước
diafiltration (G5, CVD)....................................................................................67
Hình 56. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi FOS theo nồng độ FOS
(G5, CVD)

....................................................................................................68

Hình 57. Sự thay đổi nồng độ các chất theo số bước diafiltration
(G5, VVD 0,95:1) ............................................................................................69
Hình 58. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ FOS
G5, VVD 0,95:1)..............................................................................................69
Hình 59. Sự thay đổi nồng độ các chất theo số bước diafiltration
(G5, VCD 0,9:1)...............................................................................................70
Hình 60. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ FOS
(G5, VCD 0,9:1)...............................................................................................60

Hình 61. Sự thay đổi nồng độ các chất theo số bước diafiltration
(G5, VCD 0,85:1).............................................................................................71
Hình 62. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ FOS
(G5, VCD 0,85:1).............................................................................................71
Hình 63. Sự thay đổi nồng độ FOS theo số bước diafiltration
(so sánh giữa các phương thức) .......................................................................72
Hình 64. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo số bước diafiltration
(so sánh giữa các phương thức, G5) ................................................................72
Hình 65. Sự thay đổi nồng độ các chất theo số bước
diafiltration (DS-5-DL) (CVD)........................................................................73
Hình 66. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ FOS
(DS-5-DL, CVD) .............................................................................................74
Hình 67. Sự thay đổi nồng độ các chất theo số bước diafiltration
(DS-5-DL, VVD 0,95:1) ..................................................................................75
Hình 68. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ
FOS (DS-5-DL, VVD 0,95:1)..........................................................................75


Hình 69. Sự thay đổi nồng độ các đường theo số bước diafiltration
(DS-5-DL, VVD 0,90:1) ..................................................................................76
Hình 70. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo nồng độ FOS
(DS-5-DL, VCD 0,9:1) ....................................................................................76
Hình 71. Thay đổi nồng độ FOS theo số bước diafiltration (DS-5-DL).........77
Hình 72. Sự thay đổi hiệu suất thu hồi theo số bước diafiltration
(so sánh các phương thức) (DS-5-DL).............................................................78


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
FOS
GF2

GF3
GF4
MF
NF
RO
UF
w/v
w/w

Fructooligosaccharide
1-kestose
nysose
1F-fructosylnystose
Vi lọc (Microfiltration)
Lọc nano (Nanofiltration)
Lọc thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis)
Siêu lọc (Ultrafiltration)
weight/volume (khối lượng/thể tích)
weight/weight (khối lượng/khối lượng)


1

MỞ ĐẦU
Từ khoảng giữa thế kỷ trước, khi membrane tổng hợp đầu tiên được chế tạo,
các ứng dụng của quá trình membrane về mặt kỹ thuật và thương mại đã bắt đầu xuất
hiện. Ngày nay, sau 50 năm, membrane và các q trình membrane thực sự trở thành
cơng cụ có giá trị trong phân riêng các hỗn hợp phân tử.
Membrane chỉ là một khái niệm đơn lẻ nhưng bao hàm rất nhiều loại cấu trúc
và vật liệu với các đặc tính khác nhau, tương tự là các q trình membrane. Tuy nhiên,

tất cả membrane và các q trình membrane có một đặc điểm chung là chúng phân
riêng một hỗn hợp phân tử hiệu quả và kinh tế ở điều kiện nhiệt độ phịng, khơng phát
sinh sản phẩm phụ độc hại hoặc nguy hiểm
Tuy vẫn còn một số nhược điểm nhưng trên thế giới membrane đã được ứng
dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như công nghệ thực phẩm, công nghệ xử lý
nước và nước thải, công nghệ dược phẩm,…..Ở Việt Nam, kỹ thuật membrane vẫn còn
tương đối mới, chưa có nhiều ứng dụng, chủ yếu trong xử lý nước và nước thải. Trên
thị trường mặt hàng membrane vẫn chưa có tính đa dạng và sẵn sàng.
Fructooligosaccharide (FOS) được ứng dụng trong rất nhiều loại thực phẩm.
Tuy được sản xuất từ loại nguyên liệu rẻ tiền và phổ biến là đường saccharose nhưng
hiện nay hầu hết nhà máy thực phẩm ở Việt Nam vẫn phải nhập FOS hoặc
oligofrucrose từ các cơng ty nước ngồi như Orafti (Bỉ), Meioligo (Nhật),…..Cần phải
có sự đầu tư nghiên cứu và sản xuất fructooligosaccharide (FOS) ở quy mô công
nghiệp nhằm đáp ứng nhu cầu của các cơng ty trong đó cần quan tâm nhiều đến
phương pháp tinh sạch, nhất là tinh sạch bằng phương pháp membrane cụ thể là lọc
nano (NF).

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


2

I. FRUCTOOLIGOSACCHARIDE (FOS)
1. Định nghĩa
1.1. Prebiotic
Prebiotic là carbohydrate mạch ngắn có thể làm thay đổi thành phần hoặc sự
chuyển hóa của hệ vi sinh vật trong ruột theo một cách đặc trưng [43].
Các chỉ tiêu để một chất được phân loại là prebiotic bao gồm:
¾ Khơng bị hấp thu ở tuyến tiêu hóa trên
¾ Bị lên men bởi vi sinh vật trong ruột

¾ Kích thích chọn lọc sự phát triển và hoạt tính của một số vi khuẩn có khả năng
cải thiện sức khỏe [17].
Oligosaccharide đóng vai trị quan trọng trong nhiều quá trình sinh học bao
gồm khả năng nhận biết giữa các tế bào, đáp ứng miễn dịch, sự thụ tinh và dinh dưỡng
[61]. Ngồi ra, oligosaccharides cịn là thành phần chức năng có thể cải thiện chất
lượng của nhiều loại thực phẩm. Các loại oligosaccharide quan trọng là
fructooligosaccharide (FOS), galactooligosaccharide, isomaltooligosaccharide (IMO),
inulinooligosaccharide and oligosaccharides đậu nành [12]
Ở Mỹ, inulin và FOS là những sản phẩm dẫn đầu thị trường, tiếp sau đó là
galactooligosaccharide. Ở Nhật, ngồi những loại trên cịn có isomaltooligosaccharide,
oligosaccharide đậu nành, xylooligosaccharide, gentiooligosaccharide và lactosucrose
[46].
Có ba q trình sản xuất prebiotic oligosaccharide như sau:
¾ Chiết xuất oligosaccharide tự nhiên từ thực vật;
¾ Thủy phân polysaccharide;
¾ Tổng hợp bằng phương pháp enzyme với xúc tác là enzyme hydrolase và/hoặc
glycosyl transferase thu nhận từ thực vật hoặc vi sinh vật.
Hầu hết các prebiotic được tổng hợp bằng phương pháp enzyme. Như
xylooligosaccharide (XOS) và isomaltooligosaccharide (IMO) được sản xuất từ quá
trình thủy phân polysaccharide, FOS, lactosucrose và GOS từ q trình chuyển nhóm;

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


3

gentiooligosaccharide được sản xuất bằng các phản ứng ngưng tụ, inulin và
oligosaccharide đậu nành được chiết xuất từ các nguồn tự nhiên và lactulose được tổng
hợp hóa học bằng quá trình đồng phân hóa [18].
1.2. FOS

FOS là một trong những loại prebiotic được nghiên cứu nhiều nhất do có khả
năng chịu được acid dạ dày và enzyme tuyến tụy, có tác dụng tăng cường số vi khuẩn
Bifido trong ruột. Ở Nhật Bản, FOS được xem là thực phẩm và có mặt ở hơn 500 loại
sản phẩm khác nhau [1]. Đây là chất tạo ngọt năng lượng thấp, không được hấp thu ở
tuyến tiêu hóa trên, tuy nhiên, được sử dụng chọn lọc bởi vi khuẩn Bifido, nghĩa là có
các đặc tính prebiotic [44].
FOS là các oligomer fructose trong đó các nhóm fructosyl được gắn với
saccharide ở vị trí β-2,1, thường được mơ tả bằng cơng thức GFn, G chỉ nhóm glucosyl
và F chỉ nhóm fructosyl, n là số nhóm fructosyl [32]. Phổ biến nhất là 1-kestose (GF2),
nystose (GF3) và 1F-fructofuranosyl nystose (GF4) [13, 44].

Hình 1. Cấu trúc của một số phân tử FOS [44]
2. FOS
2.1. Nguồn gốc

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


4

FOS có trong tự nhiên ở nhiều loại thực vật như hành, măng tây, lúa mì, lúa
mạch, artichoke Jerusalem [8], chuối, mận, hành, hẹ tây và củ chicory [35], gạo, củ cải
đường, lúa mì. Q trình trích ly FOS từ những loại thực vật này ở quy mô công
nghiệp không có tính kinh tế do nồng độ rất thấp. Vì lý do này, FOS thương mại được
sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hoặc thủy phân [11]. FOS có thể được sản xuất ở
quy mô công nghiệp từ nguồn nguyên liệu saccharose, với xúc tác là enzyme thu nhận
từ một số loại nấm mốc như Aureobasidium sp. hoặc Aspergillus niger [35].
Bảng 1. Thành phần FOS của một số loại trái cây [13]
mg/g (tính trên chất khơ)
GF2

GF3

GF4

Tổng

Táo đỏ

0,6

0,0

0,0

0,6

Táo vàng

0,2

0,0

0,0

0,2

Chuối chín

8,6

0,0

2,3

10,9

Blackberry

0,0

0,0

1,2

1,2

Dưa hấu

2,8

0,0

0,1

2,9

Mận đỏ

1,8

0,2

0,0

2,0

Đào

3,5

0,0

0,0

3,5

Cam

1,7

0,0

1,1

2,8

Nho đen

0,5

0,0

0,6

1,1

Dưa lê

0,3

0,0

0,9

1,2

2.2. Cơng dụng
FOS có tác dụng cải thiện mức lipid (cholesterol và triglyceride), sự hấp thụ
calcium, bệnh táo bón và nhiều q trình chảy mủ, giảm huyết áp [44, 80]. FOS có vị
trí quan trọng do có các đặc điểm chức năng như mức năng lượng thấp, không được sử
dụng bởi vi khuẩn gây sâu răng và là yếu tố tăng trưởng của các vi sinh vật trong ruột
[12, 80]. Các nghiên cứu được tiến hành ở Nhật cho thấy rằng việc tiêu thụ FOS làm
tăng mật độ Bifidobacteria và những vi sinh vật có lợi khác ngay cả khi khơng có

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


5

probiotic trong chế độ ăn. Liều lượng FOS cần cho người trưởng thành là 8g/ngày
[59]. Do kết quả của quá trình chuyển hóa FOS bởi vi khuẩn lên men, acid béo mạch
ngắn và acid lactic được tạo thành, làm giảm pH của ruột già, tạo một môi trường lý
tưởng cho sự phát triển của vi khuẩn Bifido và làm giảm sự phát triển của vi khuẩn
gây bệnh. Hàm lượng chất chuyển hóa tạo ra bởi vi khuẩn gây thối rữa cũng giảm sau
khi sử dụng FOS [62].
FOS được lên men mạnh trong ruột già, tạo mơi trường thích hợp cho sự hấp
thu khống chất và có ảnh hưởng tới sự khống hóa của xương [42], giúp tăng hấp thu
calcium và magnesium trong ruột [57].
FOS với mức polymer thấp có các đặc tính chữa trị tốt hơn các loại có mức độ
polymer hóa cao [57]. Do có độ ngọt thấp, chỉ khoảng 1/3 độ ngọt của saccharose,
FOS thích hợp cho nhiều loại loại thực phẩm phải hạn chế hàm lượng saccharose [80]
và được dùng trong công nghiệp dược phẩm như một chất tạo ngọt chức năng [57].
2.3.Tính chất
FOS có độ ngọt tương tự saccharose, một chất tạo ngọt truyền thống [12], khả
năng giữ nước cao hơn saccharose, tương tự sorbitol. Là đường không khử, FOS
không tham gia phản ứng Maillard, chúng ổn định ở pH > 3 và nhiệt độ lên tới 140ºC
[8, 10].
Ở dạng lỏng, FOS mạch ngắn là chất lỏng trong, khơng màu hoặc màu vàng
như sirơ, có mùi trái cây và vị ngọt. Ở dạng bột, FOS có màu trắng tới vàng nhạt, mùi
trái cây và vị ngọt. FOS hịa tan trong nước [65].
Bảng 2. Đặc tính của FOS so sánh với một số loại đường khác [8].
Đường

Độ ngọt

Độ ổn định

Độ nhớt

Tính hút ẩm

(saccharose = 1)

Nhiệt độ

pH

Sorbitol

0,70

< 160ºC

2- 10

Thấp

Cao

Xylitol

0,90

< 160ºC

2- 10

Rất thấp

Cao

Mannitol

0,50

< 160ºC

2- 10

Thấp

Thấp

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


6

Erythritol

0,65

< 160ºC

2- 10

Rất thấp

Thấp

Maltitol

0,75

< 160ºC

2- 10

Cao

Trung bình

Isomalt

0,60

< 160ºC

2- 10

Cao

Thấp

Lactitol

0,40

< 160ºC

2- 10

Rất thấp

Trung bình

Maltidex

0,75

< 160ºC

2- 10

Cao

Trung bình

FOS

0,30

< 160ºC

2- 10

= sucrose

Trung bình

FOS bị thủy phân theo mơ hình bậc 1, mức độ thủy phân giảm khi pH tăng và
tăng theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ 120ºC, FOS bị thủy phân nhanh và hoàn toàn. FOS bị
thủy phân dễ dàng hơn ở pH acid so với pH trung tính hoặc bazơ.

Hình 2. Động học quá trình thủy phân của một số oligosaccharide ở 40ºC. (a) 1kestose, (b) nystose, (c) fructofuranosylnystose ở 80ºC (●), 90C (), 110C (ì) v
120C (ã) [5].
2.4. ng dng
FOS v inulin được sử dụng trong công nghệ thực phẩm ngày càng nhiều trong
thời gian gần đây do chúng có tác dụng như chất xơ và có thể dùng như carbohydrate
hoặc thay thế chất béo do có khả năng sinh năng lượng thấp [9, 1].
FOS đuợc sử dụng trong nhiều loại thực phẩm như nước giải khát, các sản
phẩm sữa, bánh kẹo, mứt, thức ăn gia súc [44] và các sản phẩm với tiêu chuẩn phân

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


7

tích [5]. Trong mứt: FOS có thể được dùng như chất tạo ngọt, sản phẩm có mức năng
lượng giảm khi so sánh với saccharose. Các sản phẩm có các đặc điểm cảm quan
tương tự nhau, sản phẩm bổ sung FOS có độ ngọt thấp hơn và cấu trúc mềm hơn.
Trong kem, FOS có thể được dùng với inulin để thay thế đường, làm giảm hàm lượng
chất béo và tạo cảm giác ngon miệng. Sử dụng FOS có thể làm giảm đáng kể mức
năng lượng trong kẹo cứng, gum và kẹo dẻo [58].
Ở Nhật Bản, FOS được dùng phổ biến như chất tạo ngọt, chất điều vị, chất độn
và chất giữ ẩm, bổ sung vào các sản phẩm thực phẩm như bánh quy, bánh ngọt, bánh
mì, kẹo, các sản phẩm sữa và một số loại nước giải khát như một thành phần thay thế
saccharose năng lượng thấp, ngồi ra cịn đuợc bổ sung vào một số loại thực phẩm
chức năng để tăng cường sự phát triển của vi khuẩn có ích trong tuyến tiêu hóa [65].

2.5. Tình hình sản xuất
FOS được tổng hợp bằng phương pháp lên men với xúc tác là các vi sinh vật
như Aspergillus niger, Aureobasidium pullulans và Fusarium oxysporum [12]. Ngồi
ra có thể dùng phương pháp enzyme, các enyme xúc tác quá trình tổng hợp FOS là βfructofuranosidase, còn gọi là invertase (EC 3.2.1.26) và fructosyltransferase
(E.2.4.1.9) [16], có ở thực vật và vi sinh vật. Tuy nhiên, enzyme của thực vật không
hiệu quả cho việc sản xuất ở quy mơ lớn, do đó hiện nay chủ yếu enzyme của vi sinh
vật được sử dụng. Những enzyme này ổn định nhiệt, có hoạt tính tối ưu ở 50 – 60ºC và
pH 5,0 – 6,5. Enyzme β-fructofuranosidase (ở dạng tự do hoặc cố định) được thu nhận
từ Aspergillus niger, Aureobasidium pullulans [44] và fructosyltransferase (EC
2.4.1.9) thu nhận từ nhiều loại vi sinh vật như Aspergillus foetidus, Bacillus subtilis,
Bacillus

macerans,

Streptococcus

salivarius

Aureobasidium

pullulans

[12],

Aspergillus niger, Aspergillus japonicus, Aureobasidium pullulans, and Fusarium
oxysporum [59], các chủng Penicillium [31]. Các enzyme này có hoạt tính chuyển
nhóm fructosyl.
Saccharose đóng vai trò chất cho và chất nhận fructose. Phản ứng đầu tiên giữa
hai phân tử saccharose tạo thành 1-kestose và glucose. Cùng enzyme đó tiếp tục tác

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


8

động trên kestose để tạo thành nystose và trên nystose tạo fructosylnystose [8]. Sản
phẩm của phản ứng bao gồm 25 – 30% 1-kestose, 10 – 15% nystose và 5 – 10% 1Ffructofuranosyl nystose và 25 – 30% glucose được giải phóng (sản phẩm phụ). Sự tổng
hợp FOS (GFn) từ saccharose (GF) là một chuỗi các phản ứng không đối xứng liên
tiếp.
Saccharose (GF) + Saccharose (GF) → 1-kestose (GF2) + glucose (G)
1-kestose (GF2) + 1-kestose (GF2) → nystose (GF3) + saccharose (GF)
Nói chung GFn + GFn → GFn-1 + GFn+1 (n = 1 – 3) [31].

Hình 3. Quá trình tổng hợp FOS [58]
FOS được sản xuất theo phương pháp gián đoạn như sau: enzyme được thêm
vào dung dịch 60 – 60% saccharose ở pH 5,5 – 6,0. Sau khi khuấy trộn 4 – 20 giờ ở 50
– 60ºC, hỗn hợp phản ứng chứa FOS, glucose và saccharose dư được gia nhiệt tới
90ºC trong 30 phút để bất hoạt enzyme. Hỗn hợp phản ứng được làm nguội xuống
dưới 50ºC, lọc trong và khử ion bằng cột trao đổi ion [51]. Hiệu suất lý thuyết của quá
trình tổng hợp là 75% nếu chỉ tạo thành FOS. Tuy nhiên, hiệu suất thực tế thấp hơn
nhiều, khoảng 60% khi dùng enzyme từ Asp.niger ATCC 20611 và 53 – 59% với
enzyme từ Aureobasidium spp. Nguyên nhân là do enzyme xúc tác bị ức chế bởi
glucose được giải phóng ra [79]. Tỷ lệ FOS và saccharose dư trong sản phẩm là 55 –
60% và 10 – 12%. FOS cao độ được sản xuất bằng cách tách glucose và saccharose
dư, dùng phương pháp sắc ký [51].

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


9

Meiji Seika Co. là công ty đầu tiên thành công trong sản xuất FOS thương mại
với xúc tác là A.niger vào năm 1984. Sản phẩm được đưa ra thị trường Nhật Bản với
tên gọi Meioligo. Cơng ty này sau đó thiết lập một liên doanh với Beghin-Say của
Pháp và sản xuất FOS với tên thương mại Actilight. Công ty Cheil Foods & Chemical
Co. của Hàn Quốc cũng thành công trong sản xuất FOS ở quy mô công nghiệp dùng
các tế bào A. pullulans cố định [71].
3. Sản xuất FOS cao độ
Hiệu quả và độ tinh sạch của FOS tổng hợp từ saccharose do xúc tác của
enzyme β-fructofuranosidase rất thấp. Glucose, sản phẩm phụ của phản ứng, ức chế
hoạt tính của enzyme, làm giảm chất lượng và khối lượng FOS, hàm lượng FOS tối đa
là 60%. Có một số cách để sản xuất FOS cao độ: tách FOS khỏi mono- và disaccharide
bằng phương pháp sắc ký hoặc chuyển hóa mono- và disaccharide dưới tác dụng xúc
tác của enzyme glucose oxidase. Các cách này có thể cải thiện phần nào chất lượng
FOS nhưng có nhược điểm là chi phí cao [78].
3.1. Phương pháp enzyme
Phản ứng tổng hợp FOS cao độ được tiến hành với sự có mặt của enzyme
glucose isomerase hoặc glucose oxidase. Tuy nhiên, việc sử dụng glucose isomerase
không hiệu quả (hiệu suất tổng hợp FOS chỉ khoảng 69%), trong khi đó với glucose
oxidase, có thể tổng hợp FOS với hàm lượng lên tới 98% [44, 79].
Một phương pháp sản xuất FOS cao độ có nhiều triển vọng là chuyển mono- và
disaccharide thành dạng khác để có thể tách dễ dàng ra khỏi FOS. Glucose được
chuyển hóa thành acid gluconic dưới tác dụng của enzyme glucose oxidase, và được
tách ra khỏi các đường trung tính bằng phương pháp trao đổi ion [27], hoặc kết tủa
bằng calcium carbonate [63]. Phản ứng tổng hợp có thể tiếp diễn khi glucose được
tách ra đồng thời, hàm lượng FOS có thể đạt 90% [27] hoặc 98%. Với phương pháp
này có thể dễ dàng được mở rộng quy mô của hệ thống và thay thế quá trình sản xuất
FOS thương mại [80, 64]. Tuy nhiên nó có nhược điểm là glucose oxidase đắt tiền và
dễ bị mất hoạt tính bởi nhiệt [63].

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


10

3.2. Phương pháp membrane
Để khắc phục những nhược điểm trên, Dey-Chyi Sheu và cộng sự nghiên cứu
sản xuất FOS cao độ trong bình phản ứng có trang bị thiết bị vi lọc hoạt động liên tục.
Hệ thống dùng khuẩn lạc Aspergillus japonicus CCRC 93007 hoặc Aureobasidium
pullulans ATCC 9348 với hoạt tính β-fructofuranosidase và Gluconobacter oxydans
ATCC 23771 với hoạt tính glucose dehydrogenase. Điều chỉnh pH 5,5 bằng calcium
carbonate, acid gluconic trong hỗn hợp phản ứng được kết tủa dưới dạng calcium
gluconate. Dung dịch saccharose với nồng độ 30% (w/v) là dung dịch nhập liệu, FOS
cao độ được lấy ra liên tục qua thiết bị vi lọc. Hệ thống hoạt động ở nhiệt độ 30ºC,
mức độ thơng khí 5vvm, nồng độ FOS hơn 80%, glucose 5 -7% và 8 – 10% saccharose
dư (tính trên chất khơ) và một lượng nhỏ calcium gluconate tạo thành. Hệ thống có thể
hoạt động liên tục với năng suất tổng hợp FOS hơn 160g/L.giờ [63]..

Hình 4. Sơ đồ hệ thống phức hợp sản xuất FOS cao độ [63]
Nishizawa và cộng sự (2001) dùng hệ thống phản ứng membrane với
membrane NF, glucose thấm được qua membrane nhưng saccharose và FOS thì
khơng. Nồng độ FOS trong sản phẩm phản ứng cao hơn 90%, cao hơn nhiều so với khi
phản ứng gián đoạn (55 – 60%) và tương đương nồng độ trong sản phẩm được xử lý
bằng phương pháp sắc ký [51].

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


11

Hình 5. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm với bình phản ứng membrane [51]
3.3. Phương pháp lên men
Theo Yang và cộng sự (2008) FOS cao độ được sản xuất theo hai bước: tổng
hợp do xúc tác của β-fructofuranosidase ngoại bào của Aspergillus japonicus và sau đó
cấy Pichia pastoris. Hàm lượng FOS cao hơn đạt được sau 8 giờ ở pH 5,5 và 55ºC.
P.pastoris được cấy vào sẽ sử dụng gần hết các đường đơn sau 12 giờ ở 30ºC, làm
tăng độ tinh sạch của FOS, phục hồi hoạt tính β-fructofuranosidase do khơng cịn
glucose có tác dụng ức chế. Độ tinh sạch FOS tăng từ 56,55 tới 84,45% (26,4% 1kestose và 57,98% nystose) [78]

Hình 6. Hàm lượng FOS và những carbohydrate khác trong q trình tổng hợp FOS có
cấy nấm men P.pastoris [78]

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


12

Lin và cộng sự (2008) nghiên cứu quá trình sản xuất FOS cao độ từ saccharose
dùng khuẩn lạc Aspergillus japonicus và Aspergillus niger cố định trong calcium
alginate trong bình phản ứng airlift. Tỷ lệ nhốt khuẩn lạc A.japonicus và A.niger trong
calcium alginate tối ưu là 1% và 7% (w/w). Khi 60g khuẩn lạc cố định được đưa vào
bình phản ứng chứa 3 lít dung dịch saccharose 300g/L và tốc độ khí 7,32cm/s, nồng độ
FOS đạt 55% (w/w) sau 9 giờ phản ứng gián đoạn. Để tách glucose, thêm 315g hạt
khuẩn lạc A.niger cố định, nồng độ FOS đạt 90% (w/w) [39]
3.4. Các phương pháp khác
Các quá trình lên men là phương pháp tốt để sản xuất FOS ở quy mô lớn. Tuy
nhiên, sản phẩm thu được là hỗn hợp muối và các đường phân tử lượng thấp khơng có
những đặc tính của oligosaccharide và cần phải được tách ra. Trong số những kỹ thuật
đã được nghiên cứu để giải quyết vấn đề này, phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính
là một kỹ thuật nhiều triển vọng cần được nghiên cứu phát triển thêm. Theo Nobre và

cộng sự (2007), membrane vi lọc (0,2μm) được dùng để phân riêng sinh khối, muối và
các đường phân tử lượng nhỏ phải được tách ra bằng bộ lọc than hoạt tính. 200mL
canh trường lên men (khơng có tế bào) được đưa qua bộ lọc. Dùng nước rửa bộ lọc
nước để tách các muối và các đường phân tử lượng nhỏ có trong hỗn hợp.
Oligosaccharide được hấp phụ vào bộ lọc than hoạt tính và thu hồi bằng dung dịch
ethanol 40%. Nồng độ FOS tăng từ 30% lên 97% (w/w) [52].
Sắc ký tầng chuyển động mô phỏng (Simulated moving bed chromatography)
(SMB) là một phương pháp hiệu quả để phân riêng và tinh sạch hỗn hợp đường, rất
thường được dùng trong phân riêng monosaccharide/disaccharide và có thể phân riêng
mono-/di-/oligosaccharide. Ở quy mô nhỏ, FOS đã được tinh sạch thành công bằng
cách dùng thiết bị trao đổi ion ở dạng cation hoặc thông thường hơn ở dạng anion.
Mặc dù sử dụng thiết bị trao đổi ion để phân riêng, khơng có sự trao đổi ion diễn ra
trong trường hợp này do đường khơng tích điện trong một khoảng pH rộng. Cơ chế

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano


13

phân riêng dựa trên kích thước phân tử và tính phức tạp của saccharide với các nhóm
ion chức năng của thiết bị trao đổi ion [19]
Lưu đồ của quá trình tổng hợp FOS bao gồm ba phân đoạn: sản xuất FTase, bao
gồm quá trình lên men, phân lập và tinh sạch enzyme, cố định FTase và sản xuất FOS
với FOS cao độ được sản xuất bằng cách tách glucose, fructose và saccharose dư ra
khỏi hỗn hợp phản ứng dùng phương pháp sắc ký tầng mơ phỏng.

Hình 7. Lưu đồ q trình sản xuất FOS ở quy mơ cơng nghiệp [71]

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano

14

II. LỌC NANO (NF)
1. Định nghĩa
1.1. Thẩm thấu ngược
Thẩm thấu ngược và thẩm thấu (thẩm tích) là hai q trình có liên quan trực
tiếp với nhau. Nếu một membrane có tính chọn chọn lọc (nghĩa là nước có thể thấm
qua tự do nhưng muối có tính thấm thấp hơn) được dùng để tách dung dịch muối khỏi
nước, nước sẽ đi qua membrane từ phía nước vào phía có nồng độ muối cao như trong
hình 8. Quá trình này được gọi là quá trình thẩm thấu. Nếu tác động một áp suất thủy
tĩnh vào phía có nồng độ muối cao của membrane, dòng chảy của nước sẽ bị chậm lại
và khi áp suất đủ lớn, dòng này sẽ ngừng lại. Áp suất thuỷ tĩnh cần để làm dừng dòng
chảy của nước được gọi là áp suất thẩm thấu (∆π). Nếu tác động một áp suất lớn hơn
áp suất thủy thấu, dòng chảy của nước sẽ bị đảo ngược và nước bắt đầu chảy từ phía
có nồng độ muối cao sang phía nhiều nước của membrane. Quá trình này được gọi là
thẩm thấu ngược [6].

Hình 8. Nguyên tắc của quá trình thẩm thấu và thẩm thấu ngược [6]
1.2. Membrane

-------------------------------------------------------------------------------------------------------Nghiên cứu tinh sạch Fructooligosaccharide bằng phương pháp lọc nano