Quy trình công nghệ sản xuất xanthan gum

Hoạt động của thiết bị...39 Lòi kết...40 Tài liệu tham khảo...41 LỜI MỞ ĐÀU Xanthan gum, không một ai trong nhóm biết một tí gì về nó, chỉ biết nó có trong danh sách phụ gia thực phẩm, c

MỤC LỤC

Lòi mỏ’ đầu 2

I Giói thiệu chung về xanthan gum 3

1 Khái niệm 3

2 Lịch sử ra đòi 3

3 Cấu tạo - 3

4 Tình hình sử dụng một số loại polysaccharide 5

5 Tính chất 6

II Nguyên liệu 8

1 Giống vi sinh vật lên men 8

2 Nguyên liệu khác - 9

III Quy trình công nghệ sản xuất xanthan gum 12

So’ đồ quy trình công nghệ 12

Giải thích quy trình 13

1 Nhân giống 13

2 Chuẩn bị môi trưòng lên men 13

3 Thanh trùng môi trưòng lên men 14

4 Lên men 15

5 Thanh trùng 29

6 Tách vi sinh vật 30

7 Kết tủa - 31

8 Tách nưóc 32

9 Sấy— 32

10 Nghiền 33

11 Đóng gói 34

IV ứng dụng của xanthan gum 35

1 Trong thực phẩm 35

2 Trong mỹ phẩm 35

3 Trong công nghiệp dầu mỏ 35

4 Trong dưọc phẩm 36

V Chỉ tiêu chất lưọng của xanthan gum 37

1 Chỉ tiêu vật lý 37

2 Chỉ tiêu hóa học 37

3 Chỉ tiêu hóa lý 37

4 Chỉ tiêu vi sinh 37

VI Thành tựu công nghệ 38

1 Giói thiệu thiết bị phản ứng sinh học CPBR 38

2 Hoạt động của thiết bị 39

Lòi kết 40

Tài liệu tham khảo 41

LỜI MỞ ĐÀU

Xanthan gum, không một ai trong nhóm biết một tí gì về nó, chỉ biết nó có trong danh sách phụ gia thực phẩm, có bản chất là polysaccharide được sinh tổng họp từ vi sinh vật

Có rất nhiều loại polysaccharide được sinh tổng hợp bởi vi sinh vật như alginate, curlane, dextran, gellan, glucan, pullulan và xanthan Trong số những loại này thì xanthan gum có vai trò vượt trội hơn bởi nó có tính định hướng, ứng dụng nhiều Trong công nghiệp polysaccharide thì xanthan gum là một trong những đại diện phát triển nhanh nhất

Đối với ngành thực phẩm, những nhu cầu về gum tự nhiên đang có xu hướng giảm xuống, trong khi đó xanthan lại có xu hướng tăng lên Đây là một điểm đến hứa hẹn cho những nhà kĩ sư thực phẩm tương lai

Bài báo cáo sẽ cung cấp một phần nào kiến thức căn bản nhất về xanthan gum Hy vọng

sau bài báo cáo này, đề tài xanthan gum sẽ thật thu hút mọi người cùng quan tâm và cùng tìm

hiểu

I GIỚI THIỆU CHUNG VẺ XANTHAN GUM

1 Khái niệm

Xanthan gum là một polysaccharide được sử dụng như là một phụ gia thực phẩm và chất

điều chỉnh lưu biến Là sản phẩm lên men của glucose và saccharose bởi vi khuẩn Xanthomonas campestris.

Xanthomonas campestris là loại vi khuẩn gây ra bệnh mục đen trên cải, hoa lơ và các loại

rau lá mỏng khác

2 Lịch sử ra đòi của xanthan gum

Cách đâỵ rất lâu, con người đã tìm hiểu được rằng các loài Xanthomonas có thể sản xuất

Đầu những năm 1960, xanthan trở thành sản phẩm thương mại bởi công ty Kelco với tênthương mại là Kelzan (theo Whistler) nhưng không thích họp cho thương mại măi đến năm 1964

Năm 1969, xanthan đã được tổ chức FDA (the American Food and Drug Administration)cho phép sử dụng làm phụ gia thực phẩm sau những nghiên cứu và thử nghiệm trên động vật Nóđược phép sử dụng ở các nước: Hoa Kỳ, Canada, Châu Âu (1982) số kí hiệu là E415

Các công ty sản xuất xanthan nổi tiếng: Merck, Pfízer và Kelco của Mĩ, Rhône Poulenc

và Sanofi-Elf của Pháp, Jungbunzlauer của úc

3 Cấu tạo hóa học của xanthan gum

a Cấu tao phân tử

Xanthan bao gồm những cụm 5 gốc đường được lặp lại, mỗi cụm gồm 2 gốc đường D glucose, 2 gốc đường D - mannose, 1 gốc đường D - glucoronate và các gốc acetate, pymvate với

-số lượng thay đổi

Mỗi cụm đơn vị của mạch chính trong chuỗi polysaccharide bao gồm các gốc p D

-glucose, hên kết với nhau bằng hên kết (3 - 1, 4 glycoside Yeu tố này giống với cấu trúc của

cehulose

Mạch nhánh gồm 1 gốc glucoronate nằm ở giữa hên kết với 2 gốc mannose Vị trí thứnhất của gốc D-glucoronate hên kết với vị trí thứ hai của 1 gốc D - mannose, còn vị trí thứ tư củagốc D-glucoronate hên kết với vị trí thứ nhất của một gốc mannose khác

Mạch nhánh hên kết với mạch chính tại vị trí thứ 3 trên gốc cellulose của mạch chính và

vị trí thứ nhất trên gốc mannose của mạch nhánh

Khoảng một nửa số gốc mannose ở cuối có nhóm acid pyruvic hên kết do nhóm ketal tạovòng tại vị trí 4 - 6 trên gốc mannose

TỈ SUẤT TĂNG TRƯNG BÌNH HẰNG NĂM (%)

Gốc mannose còn lại liên kết với một acetyl tại vị trí thứ 6

Xanthan gum cũng chứa các ion dương hóa trị một như là Na, K

Mạch nhánh và mạch thẳng xoắn chặt với nhau tạo thành hình dạng bền chặt

Hình 1: cẩu trúc một đơn vị của xanthan gum

b Khối lươns phân tử

Có thể từ 0.9 triệu đến 1.6 triệu Dalton, nó phụ thuộc vào nguồn vi sinh vật và điều kiệnthực hiện quá trình lên men

Đôi khi khối lượng phân tử xanthan cũng có thể lên đến 1 3 - 5 0 triệu Dalton

Hình 2 : cẩu tạo của xanthan gum

Xanthan Gum

c Trang thái phân tử

Xanthan là phân tử sinh học xoắn đôi nhưng không đối xứng nhau

Mạch nhánh và mạch thẳng xoắn chặt với nhau tạo thành hình dạng bền chặt

Các phân tử có thể co lại hình xoắn ốc kép hình thành nên cấu trúc đặc quánh, khi gặpmột số điều kiện sẽ bị duỗi mạch làm thay đổi tính chất

Mạch chính được mạch bên bảo vệ nên làm cho xanthan tương đối bền với acid, kiềm vàenzyme

d Thành phần cấu tạo

Acid pyruvic là một thành phần rất quan trọng do nó tác động đến khả năng hòa tan trongnước của polymer Thành phần acid pyruvic trong xanthan khác nhau phụ thuộc vào chủng

Xanthơmonas campestrìs (có những chủng sản xuất ra hàm lượng acid pyruvic rất cao, có những

chủng lại sản xuất ra với hàm lượng rất thấp), điều kiện lên men và điều kiện thu hồi sản phẩm

Bàng 1: thành phần % của D - glucose, D - mannose, D - glucuronỉc acid, pyruvate, acetate trong polysaccharide do một số chủng vi khuẩn khác nhau tạo ra

Trong công nghiệp polysaccharide thì xanthan là một trong những đại diện phát triểnnhanh nhất

Đối với ngành thực phẩm, những nhu cầu về gum tự nhiên đang có xu hướng giảm xuống,trong khi đó xanthan lại có xu hướng tăng lên

Xanthan Gum

Khoảng 20.000 tấn xanthan được sản xuất theo phương pháp công nghiệp từ giống vi

khuẩn X campestris mỗi năm.

Nhu cầu tiêu thụ xanthan trên toàn thế giới là khoảng 23 triệu kg/ năm và được dự đoán là

sẽ tiếp tục tăng lên 5-10% theo hằng năm

Bàng 2: tỉ suất tầng trung bình hàng năm của những polysaccharide thương mại chủ yếu: những dự báo và phân tích thị trường Mỹ

a Tao duns dich có đô nhớt

Khi hòa tan trong nước, bị hidrate hóa một cách nhanh chóng, không bị đóng cục tạodung dịch có dộ nhớt cao

Xanthan gum có độ nhớt cao Dung dịch có nồng độ khoảng 1% có độ nhót xấp xỉ 1000

cP khi đo ở 60 v/ph với thiết bị đo độ nhót Brooktĩeld model LVF ở 25°c

Ảnh hưởng của muối: độ nhớt không bị ảnh hưởng khi thêm một lượng lớn muối, nhưtrong 250 g/1 dung dịch NaCl chỉ làm tăng không đáng kể độ nhót của dung dịch xanthan.

b Tính tương hov của xanthan

S Vói alcohol

Tuy xanthan không hòa tan trực tiếp được trong alcohol nhưng lại có khả năng tưongthích với nó Những sản phẩm có chứa xanthan trong công thức thành phần thường chiếm đến60% dung môi alcohol như ethanol Ta có thể sử dụng tính chất này để làm cho cocktail, rượu cómùi chocolate trở nên đặc hơn

V Vói các loại enzynte

Hầu hết các dung dịch keo đều bị thoái hóa ở một giới hạn nào đó bới các enzyme có mặttrong thực phẩm như cellulase, pectinase, amylase, protease Tuy nhiên, xanthan không bị thoáihóa bới chúng

Khả năng kháng lại tác động của enzyme là do sự xắp xếp các nhánh chính và nhánh phụ,

sự xắp xếp này chống lại tác động của enzyme lên hên kết 1,4 trong nhánh chính Nhờ đó màngăn cản được sự ngưng trùng họp do enzyme, acid và kiềm, ứng dụng thực tế, khả năngxanthan chống lại tác động của enzyme đã được sử dụng trong một số sản phẩm thực phẩm nhưbánh mứt táo, thực phẩm có chứa tinh bột, gia vị trộn

c Gel thuân nshich về nhiêt đô

Gel tạo thành khi làm nguội các hỗn họp Xanthan gum ở trạng thái keo có thể thực hiện

sự chuyển đổi cấu hình xoắn ốc đôi thành chuỗi đơn bằng cách tôi luyện ở nhiệt độ 40 - 80°c Ởcấu hình chuỗi đơn, mạng lưới liên kết yếu đi, hình thành nên trạng thái giả dẻo (pseudoplastic)làm giảm độ nhót của dung dịch

Xanthan gum có khả năng kết họp được với nhiều chất tạo gel, tạo sệt khác nhau nhưlocust bean gum, konjac, guar gum

d Khả năns hydrate hóa

Sự hiện diện của những chuỗi tích điện âm trong phân tử xanthan gum làm tăng khả nănghydrate hóa và tạo nên dung dịch xanthan trong nước lạnh

Xanthan gum là một chất háo nước, tan được trong nước nóng và nước lạnh

Điều kiện lạnh đông/rã đông: nhờ khả năng liên kết với nước nên dung dịch xanthan gumrất bền khi lạnh đông cũng như rã đông

II NGUYÊN LIỆU

1 Gỉốne vi sinh vât lên men

Xanthan được sản xuất từ vi khuẩn Xanthomonas campestris được cô lập từ cây cải bắp,

nó chính là loại vi khuẩn gây ra bệnh nấm làm cho cây có màu đen

Hình 3: Vi khuẩn Xanthomonas campestris

Hình 4: Vi khuẩn Xanthomonas campestris gây bệnh ở cây cải bắp

Vi khuấn Xanthomonas campestris:

Giới: Vi khuẩnNgành: ProteobacteriaLóp: Gamma ProteobacteriaBộ: XanthomonadalesHọ: Xanthomonadaceae

Giống: Xanthomonas

V Có dạng hình que đơn, thẳng Rộng 0,4 - 0,7 // m, dài 0,7 - 1,8// m

V Vi khuẩn Gram âm

V Có khả năng di động nhờ có tiên mao mọc ở cực.

V Là loại vi khuẩn dị dường, hiếu khí bắt buộc

V Không có khả năng khử nitơ, phản úng catalase dương tính, oxidase âm tính

V Phát triển trên môi trường dinh dưỡng agar, bị ức chế bởi 0,1%

triphenyltetrazolium chloride

Phần lớn chúng sống một mình hoặc theo từng cặp X campestris làm thành đám mucoid

màu vàng, trơn nhẵn sống trên môi trường rắn, và những tế bào được bao quanh bởi xanthan gum(polysaccharide ngoại bào) Công thức hóa học của sắc tố vàng được xác định là mono hoặcdibromoaryl polyene

Theo như cơ sở của sự phân loại, kích cỡ gene trung bình của Xanthoonas là 2.5 X 109

Da Phần trăm G + c (guanine + cytosine) có chứa trong chuỗi AND là 63 - 71%

Tính khô nệ ổn định thuộc về di truyền của vi khuẩn X campestrỉs sẽ ảnh hưởng đến chất

lượng cũng như số lượng xanthan xuất hiện khi nuôi cấy nó Sự đột biến gene có liên quan đếnviệc hình thành 2 dạng khác nhau: L (large) và s (small) Trong khi dạng L sản xuất ra một lượnglớn xanthan với những tính chất lưu biến học mong muốn thì dạng s lại cho lượng sản phẩm ít vàchất lượng thì kém

Những chức năng của xanthan chưa được nhận biết đầy đủ, nhưng có một bằng chứngchắc chắn rằng có một lóp polysaccharide ở xung quanh màng tế bào, bảo vệ tế bào tránh khỏinhững tác động của môi trường xung quanh Ví dụ như khả năng giữ nước của xanthan, nó sẽcung cấp một lóp màng bảo vệ dưới điều kiện môi trường hanh khô

Để sinh sản và phát triển, vi sinh vật nào cũng phải hấp thụ những chất dinh dưỡng cầnthiết để xây dựng màng, thành tế bào và bào quan bên trong tế bào Mỗi một loại tế bào khácnhau thì sử dụng nguồn năng lượng khác nhau, chính vì thế cấu tạo hoá học bên trong mỗi cơ thểsinh vật cũng khác nhau

x.campestrỉs là loại vi khuẩn sản xuất ra xanthan gum chủ yếu, tuy nhiên một số loài khác như Xanthomonas phaseolis, Xanthomonas malvacearum, Xanthomonas carotae, Xanthomonas manihotis và Xanthomonas jugandlis cũng được biết đến là có khả năng sản xuất ra polysaccharide ngoại bào tốt Nhưng do sự đa dạng về dinh dưỡng của X campestris nên nó được

sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

> Tiêu chí chon giống:

- Không có khả năng sinh độc tố

- Do cần thu nhận sản phẩm trao đổi chất ngoại bào của vi khuẩn nên phảichọn giống có khả năng sinh tổng họp xanthan cao, số lưọưg lớn không quan tâm đến các sảnphẩm khác

- Giống được chọn phải có khả năng thích nghi và tốc độ sinh trưởng nhanh,lấn át được vi sinh vật tạp nhiễm

- Môi trường nuôi cấy dễ kiếm, rẻ tiền

- Hoạt tính trao đổi chất của giống được chọn phải ổn định, lâu thoái hóa

2 Nguyên liệu khác

V Nguồn carbonTrong tiến trình sản xuất công nghiệp, tinh bột và glucose được sử dụng ở mức độ thươngmại làm nguồn carbon Saccharose và dịch whey cũng được sử dụng Hàm lượng glucose lên

Xanthan Gum

khoảng 5% được coi là môi trường cho chất lượng sản phẩm tốt nhất, nếu hàm lượng glucose cao

hơn mức này thì chất lượng của xanthan lại giảm đi Trên thực tế, hàm lượng glucose cao nhất bịgiới hạn bởi tính chất lưu biến học của canh trường lên men

Bàng 3: Anh hưởng của nguồn carbon lên sản lượng xanthan

Ở châu Âu người ta dùng syrup bắp để làm nguồn nguyên liệu sản xuất xanthan Syrup

bắp còn được gọi là high ỷructose com syrup (HFCS) do có hàm lượng ữuctose rất cao, được sử

dụng phổ biến trong các loại kẹo và đồ uống

Syrup bắp không phải là loại đường tự nhiên như đường mía hay đường củ cải Vì HFCS

có được sau quá trình xử lý công nghiệp phức tạp Người ta sử dụng 3 loại enzyme là oc amylase, glucose amylase thủy phân tinh bột bắp thành đường glucose và enzyme isomerasechuyển hóa glucose thành ữuctose, tăng độ ngọt và khả năng hòa tan Sau đó, glucose tinh khiếtđược thêm vào hỗn họp tạo ra HFCS Giá trị tỉ lệ Ểructose : glucose trong HFCS là 90 : 10, 42 :

-43 hoặc 55 : 45

V Nguồn nitơĐối với nguồn nitơ, ta có thể dùng nước ngâm hạt ngũ cốc, dịch thủy phân casein,dịchchiết nấm men, dịch chiết từ đậu nành, tuy nhiên nguồn nitơ thường được dùng nhất là muối

amoni Xanthan được sản xuất có chất lượng tốt nếu như X campestris được nuôi dưỡng trong

một môi trường tổng họp đơn giản bao gồm NH4CI, glucose và muối

Nhóm khoa học Letisse đã đưa ra một mô hình lên men xanthan với:

Nguồn cacbon là saccharose

Nguồn nitơ là NH4CI hoặc NaNƠ3

Tốc độ phát triển tương ứng của tế bào là 0,13 h’1 và 0,07h '

Tốc độ hình thành xanthan tương úng là 0,52 mmol/h.g tế bào và 0,79 mmol/h.g tếbào

Lượng acid hữu cơ bên trong xanthan (acetate và pyruvate) là 6% và 4,6%

Điều này cho thấy rằng ion amoni là cơ chất thích họp cho việc tích lũy sinh khối cònnitrat thì thích họp cho sản lượng xanthan tạo thành Neu thiếu nguồn nitơ vô cơ, ta có thể thaythế bằng nguồn nitơ hữu cơ như sản phẩm thuỷ phân đậu nành

S Các nguyên tố vi lương

Bên cạnh nguồn carbon và nitơ, sự sinh tổng họp xanthan đòi hỏi phải có một vài nguyên

tố vi lượng như kali, sắt, muối calci

Lợi ích của việc sử dụng môi trường tổng họp tăng lên gấp đôi vì ta có thể điều khiểnđược tính không ổn định của gene cũng như cải tiến được chất lượng của sản phẩm Mặc dù cấutrúc của sự tổng họp xanthan về cơ bản độc lập với môi trường nuôi cấy, nhưng có một vài điểmkhác biệt về nhóm thế acyl, đặc tính lưu biến học và cả lượng của sản phẩm đạt được

III QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢNXUÂTXANTHAN GUM

Sơ đồ quy trinh công nghệ

❖

Hình 5: Quy trình sản xuất xanthan bằng thiết bị lên men có cánh khuấy

Giải thích quy trình

❖

1 Nhân giống

Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men

Biến đổi: sinh học - tăng sinh khối

Môi trường nhân giống: dịch malt trong ống thạch nghiêng chứa

s 10g/l glucose

s 5g/l peptone

s 3g/l dịch chiết nấm men

s 20g/l agar

s bảo quản ở điều kiện 4°c

Cấy chuyền 2 tuần 1 lần để đảm bảo tính ổn định cho sản phẩm xanthan

2 Chuẩn bị môi trưòng lên men

Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men

Duới đây là môi truờng dinh duỡng trong lên men tĩnh:

Sau đó canh trường được ủ ở 30°c trong thiết bị khuấy với tốc độ 200 v/ph trong 96h

Mầu sẽ được lấy ra thường xuyên để kiểm tra sinh khối, nồng độ xanthan và đưòng sótChuẩn bị môi trường nuôi cấy bao gồm nhiều giai đoạn với những yêu cầu khác nhau.Canh trường nhân giống ban đầu là 10L, sau đó nâng lên 100m3 để đưa vào sản xuất Ở 2 cấpnhân giống liên tiếp, thể tích của môi trường sẽ được nhân lên 10 lần

3 Thanh trùng môi trưòng lên men

s Mục đích: Chuẩn bị, đảm bảo về mặt vi sinh của môi trường trước khi đem đi lên

s Biến đổi: chủ yếu là biến đổi sinh học: ức chế, tiêu diệt các vi sinh vật nhiễm

S Thiết bị: sử dụng thiết bị thanh trùng bản mỏng

Bộ phận chính của thiết bị là những tấm bảng hình chữ nhật rất mỏng, làm bằng thépkhông rỉ Mỗi tấm bảng có 4 lỗ tại 4 góc và hệ thống các đường rãnh trên khắp bề mặt để tạo sựchảy rối và tăng diện tích truyền nhiệt

Khi Ẹhép các tấm bảng mỏng lại với nhau trên bộ khung của thiết bị sẽ hình thành nênnhững hệ thống đường vào và ra cho chất lỏng cần thanh trùng và chất tải nhiệt

V Mục đích: khai thác, vì quá trình lên men nhằm thu nhận sản phẩm trao đổi chất bậc 1

- là polysaccharide ngoại bào của vi khuấn Xanthomonas campestris.

V Những biến đổi:

Sinh học: có sự trao đổi chất của vi khuẩn với môi trường trong quá trình sinh trưởng

phát triển, số lượng tế bào vi khuẩn tăng

Vật lỷ: quá trình lên men tỏa nhiệt làm tăng nhiệt độ trong bình lên men, do trong quá

trình trao đổi chất của vi khuẩn có thải một phần năng lượng ra bên ngoài dưới dạng nhiệt

Hóa lý: Độ nhớt tăng lên do polysaccharide tạo ra ngày càng nhiều.

Hóa sinh: vi khuẩn Xanthomonas campestris sử dụng cơ chất để sinh tổng họp ra

xanthan gum, là một loại polysaccharide ngoại bào Quá trình sinh tổng họp xanthan gum diễn ranhư sau:

Tương tự như thực vật bậc cao, vi sinh vật cũng có khả năng tổng hợp ra cácoligosaccharide và polysaccharide Lượng oligosaccharide và polysaccharide nội bào chiếm đến60% khối lượng khô của tế bào, còn polysaccharide ngoại bào thì vượt nhiều lần khối lượng của

tế bào

Tất cả các oligosaccharide và polysaccharide đều được tổng họp bằng cách kéo dài chuỗisaccharide có trước nhờ việc thêm đơn vị monosaccharide Đơn vị này sẽ tham gia phản ứng ởdạng nucleotide - monosaccharide đã được hoạt hoá, thường là dẫn xuất của uridin - diphosphatenhưng đôi khi cùng với nucleotide purin và pừimidin khác

Bước đầu tiên của quá trình sinh tổng họp xanthan là sự hấp thụ carbonhydrate Tiếp theosau đó là quá trình phosphoryl cơ chất bằng enzyme hexokinase để có thể sử dụng adenosine 5’-triphosphat Sự sinh tổng họp có liên quan đến sự chuyển đổi của cơ chất được phosphoryl hoáthành các loại nucleotide đường khác nhau mà đòi hỏi cần phải có sự tham gia của enzyme UDP-

Glc pyrophosphorylase để kéo dài chuỗi polysaccharide Trong X campestris, chu trình

Entner-Doudoroff cùng với chu trình tricarboxylic acid là 2 cơ chế chủ yếu cho sự dị hóa đường glucose.Ngoài ra, một lượng nhỏ đường glucose đi theo con đường pentose phosphate Cuối cùng, hai hệthống riêng biêt trên lại gặp nhau, chuẩn bị cho sự hấp thu glucose Sự sinh tổng họp xanthan,

giống như hầu hết các loại vi khuẩn sản sinh ra polysaccharide, sử dụng nhiều nguồn

carbonhydrate hoạt hóa khác nhau để tổng họp nên polymer

Glucose 6-phosphate

NADP*

NADPH 6-pliosphogluconato

H 2 O 2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconate

Xanthan được tổng hop bằng cách thêm lần lượt monossacharide vào chuỗioligosacharide từ đường nucleotide diphosphate cho đến khi tạo thành phân tử chất choisoprenoid lipid Mạch chính của xanthan được hình thành từ sự thêm vào của D - glucose - 1 -phosphate và D - glucose từ 2 phân tử UDP - D -glucose Sau đó, D - mannose và D - glucoronicacid được thêm vào từ GDP - mannose và UDP - glucoronic acid Lần lượt, nhóm O-Acetylđược vận chuyển từ acetyl - CoA đến phần mannose còn lại Những mô hình về các phản ứng nàyđược nghiên cúư bởi Ielpi và đồng nghiệp của ông Hơn nữa, trong mỗi bước của chu trình đăđược mô tả đòi hỏi phải có những chất nền đặc biệt cũng như enzyme đặc hiệu cho quá trình đó,nếu như thiếu mất một chất nền hay một enzyme cần thiết, giai đoạn đó sẽ không thực hiện được.

Hình 10: Sư sinh tong hợp xanthan Chú thích:

Glciglucose PEP: phosphoenolpyruvate

Như đã đề cập trước đây, sự hình thành nên polysacharide ngoại bào là một quá trìnhtrùng họp Ngay sau khi pentasaccharide lặp lại những đơn vị, oligomer được hình thành băng sựvận chuyển đến những chất béo khác ngay lập tức, dần dần, chuỗi carbohydrate tăng dần kíchthước Sự hình thành nên oligomer thông thường yêu cầu phải có sự thêm vào của chuỗi

oligosaccharide dài hon cùng với đơn vị lặp lại cuối cùng được gắn trên isoprenoid lipid

diphosphate

Mặc dù cấu trúc lặp lại của các đon vị được xác định bởi sự vận chuyển liên tục củanhững monosaccharide khác nhau và những nhóm acyl từ những chất cho tưong ứng dưới xúc táccủa các enzyme đưòng đặc biệt, enzyme polymerase tham gia phản ứng trùng hợppentasaccharide thành chất đại phân tử có khối lưọng phân tử là M > 106 Giai đoạn cuối cùngcủa sự tiết ra polysacharide ngoại bào từ màng tế bào chất, băng qua chất bao, những lóp màng ởbên ngoài khác và cuối cùng là thoát ra môi trường bên ngoài, thì ít lí thuyết hơn so với nhữngquá trình sinh tổng họp trước đó Cơ chế kết thúc trong tất cả những vi khuẩn sản sinh rapolysacharide bằng việc giải phóng polymer từ isoprenoid lipid trước khi vận chuyển đến trạmcuối cùng Rõ ràng, quá trình trên đòi hỏi phải có một nguồn năng lượng và ta có thể coi nótương tự như quá trình giải phóng lipopolysaccharide ra khỏi những lóp màng bên ngoài, ở đây,chất cung cấp năng lượng sẽ là ATP

Có một điểm cần chú ý ở đây là có rất nhiều gene ảnh hưởng đến sự tổng họp xanthan Ở

vi khuẩn Xanthanmonas campestris thì sự tổng họp xanthan được điều khiển bởi nhóm 12 gen

từ gen B đến gen M Trong một nghiên cứu về X campestrìs, khi sử dụng transposon

mutagenesis, Harding đã phát hiện ra rằng có một nhóm gene liên kết với nhau và chúng đóng vaitrò là enzyme mã hóa cho quá trình lắp ráp của pentasaccharide Nhóm gene này được phân lập

và phân tích bởi Tho me, Vanderslice và đồng sự, được sắp xếp theo trình tự ADN và bao gồm 12gene, trong đó có 7 gene cần cho sự vận chuyển monosaccharide và những đơn vị lặp lại nhómacyl Những gene cần thiết cho quá trình acyl hóa xanthan còn được kiểm nghiệm kĩ hơn bởiMarzocca và đồng sự Một chất quan trọng khác trong việc hình thành nên tính di tmyền học của

Xanthomonas là sự có mặt của gene xanA và xanB Những gene này được cho là có hên quan

đến sự sinh tổng họp UDP - glucose và GDP - mannose Gần đây, chúng còn được cho là nhữnggen mã hóa UDP - glucose pyrophosphorylase (cần thiết cho sự sinh tổng họp xanthan) Trênthực tế, qua sự phân tích về gene và sự sắp xếp ADN, có khoảng trên 20 gene thích họp

•S Thiết bị lên men:

Xanthan là sản phẩm thương mại, được thực hiện bằng quá trình lên men tĩnh tmyềnthống trong những bình lên men có động cơ cánh khuấy (STR - stirred tank rate)

Bình lên men có cánh khuấy nhằm mục đích cung cấp oxy cho canh trường, nhiệt độgiống cấy phải được điều khiển Dung dịch đệm phosphate hoặc dung dịch đệm khác phù họpđược bổ sung vào môi trường dinh dường để duy trì pH ổn định của canh trường trong khoảng 7

Hình 11: Thiết bị lên men có cánh khuấy (STR)

Bình lên men được trang bị hệ thống điều khiển vô trùng, khuấy, điều kiện hiếu khí, điềuchỉnh nhiệt độ, pH, bọt, mức độ hòa tan oxy Môi trường lên men trước khi cho vào thiết bị phảiđược thanh trùng Sau đó giống vi khuẩn được cấy vào khoảng 5% - 10% thể tích môi trường.Môi trường dinh dưỡng yêu cầu phải có muối khoáng (P, K, s, MẸ, Ca ), nguyên tố vết, glucosehoặc carbohydrate, nệuôn nitơ như NH4CI hoặc NH4NO3, nêu cân thiêt phải bô sung thêm cácyếu tố sinh trưởng, gồm vitamin và các acid amin cần thiết Nguồn nitơ có thể dùng dịch chiếtnấm men, dịch men tiêu hóa

s Thông số của thiết bị lên men tĩnh:

■ Tốc độ khuấy cho phép: 1000 - 2000 v/ph, tốc độ tối ưu: 500 - 1000 v/ph

■ Tốc độ sục khí: 0,2 - 2 vvm, tối ưu: 0,5 - 1 vvm

■ Nhiệt độ lên men: 20 - 35°c, tối ưu: 25 - 30°c

■ Thời gian lên men: 96 h

■ pH: 5,5 - 8, tối ưu: 6,4 - 7,4

■ Oxy hòa tan: bão hòa 10% - 90%, tối ưu: bão hòa 20% - 60%

S Một số vấn đề

■ Đô nhót:

Trong quy trình lên men, khi giảm độ nhớt của canh trường từ 4000 cP xuống còn 2000

cP, giá thành của sản phẩm sẽ giảm đi 10% Hàm lượng pyruvate trong polysasaccharide dị thểảnh hưởng đến độ nhớt của nó Hơn nữa, khi hàm lượng pyruvate nhỏ hơn 2% và nồng độxanthan lớn hơn 0,25% thì độ nhót ở mức độ trung bình, còn nồng độ xanthan nhỏ hơn 0,25% thì

độ nhớt sẽ giảm

Nồng độ SO42" trong canh trường cũng ảnh hưởng đến việc giảm độ nhót của xanthan.Nồng độ sulfate phù họp là khoảng 0,2 - 0,5 % về khối lượng, tối ưu là từ 0,35 - 0,38% khốilượng Cation của muối sulfate phải tan trong nước và không gây độc cho canh trường với nồng

độ sử dụng Thường dùng nhất là Na2SƠ4 và (NH4)2SƠ4

Sự biến đổi sinh khối, hệ số nhót, hệ số chảy, tốc độ sục khí oxy và áp suất oxy theo thờigian được thể hiện qua hình 12