tiểu luận quy trình và thiết bị sản xuất xanthangum

Bà Allene Rosalind Jeanes và cộng sự của bà ở Viện Nông Nghiệp Hoa Kỳ United States Department of Agriculture đã tổ chức cuộc kiểm tra các loài vi sinh vật có khả năng sản xuất ra các lo

Lời nói đầu

Xanthan gum là một polysaccharide được sinh tổng hợp từ vi sinh vật Có 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 có tính định hướng, ứng dụng nhiều

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 Để hiểu hơn về tính chất, ứng dụng và các cơ chế tổng hợp nên xanthan gum nhóm chúng em xin được tìm hiểu về “Quy trình sản xuất và thiết bị sản xanthan gum”

Tuy nhiên hiện nay rất ít tài liệu trong nước đề cập đến nội dung này, phần lớn nhóm chúng em truy cập và tìm hiểu rất nhiều tài liệu của nước ngoài Và với số lượng khổng lồ các kiến thức đã biết nên việc lựa chọn những kiến thức nào phù hợp sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Mong cô và các bạn trong lớp góp ý để nhóm chúng em ngày càng hoàn thiện hơn về kỹ năng làm báo cáo tiểu luận ở những môn học tiếp theo

1. Giới thiệu chung về xanthan gum

1.1. 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

1.2. Lịch sử ra đời

Cách đây rất lâu, con người đã tìm hiểu được rằng các loài Xanthomonas có thể sản xuất ra những khối sền sệt

Cuối năm 1950, xanthan đã được phát minh tại Northern Reaseach Center (NRRC), Peoria, Illinois

Bà Allene Rosalind Jeanes và cộng sự của bà ở Viện Nông Nghiệp Hoa Kỳ (United States Department of Agriculture) đã tổ chức cuộc kiểm tra các loài

vi sinh vật có khả năng sản xuất ra các loại gum tan trong nước, trong số đó, xanthan là một polysaccharide tổng hợp bằng phương pháp sinh học mà có tiềm năng ứng dụng rất lớn so với các loại gum tan trong nước được sản xuất bằng phương pháp tự nhiên

Đầu những năm 1960, xanthan trở thành sản phẩm thương mại bởi công ty Kelco với tên thương mại là Kelzan (theo Whistler) nhưng không thích hợp cho thương mại mãi 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 Nó được 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, Pfizer và Kelco của Mĩ, Rhône Poulenc và Sanofi-Elf của Pháp, Jungbunzlauer của Úc

1.3. Cấu tạo và tính chất

1.3.1. Cấu tạo

1.3.1.1. Cấu tạo 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, pyruvate với số lượng thay đổi

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

ß - D - glucose, liên kết với nhau bằng liên kết ß - 1, 4 glycoside Yếu tố này giống với cấu trúc của cellulose

Mạch nhánh gồm 1 gốc glucoronate nằm ở giữa liên kết với 2 gốc mannos e

Vị trí thứ nhất của gốc Dglucoronate liên kết với vị trí thứ hai của 1 gốc D -mannose, còn vị trí thứ tư của gốc D-glucoronate liên kết với vị trí thứ nhất của một gốc mannose khác

Mạch nhánh liên kết với mạch chính tại vị trí thứ 3 trên gốc cellulos e 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 liên kết do nhóm ketal tạo vòng tại vị trí 4 - 6 trên gốc mannose 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: Cấu trúc của một đơn vị của xanthan gum

1.3.1.2. Khối lượng phân tử

Khối lượng phân tử có thể từ 0.9 triệu đến 1.6 triệu Dalton, nó phụ thuộc vào nguồn vi sinh vật và điều kiện thực hiện quá trình lên men Đôi khi khối lượng phân tử xanthan có thể lên đến 13 – 50 triệu Dalton

1.3.1.3. Trạng 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 gặp một

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 và enzyme

1.3.1.4. Thành phần cấu tạo

Acid pyruvic là một thành phần rất quan trọng do nó tác động đến khả năng hòa tan trong nước của polymer Thành phần acid pyruvic trong xanthan khác nhau phụ thuộc vào chủng Xanthomonas campestris (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 Bảng 1: Thành phần % của D – glucose, D – mannose, D – Glucuronic acid, pyruvate, acetate trong polysaccharide do một số chủng vi khuẩn khác nhau tạo ra

Mannos

e Glucuronic Acid

1.3.2. Tính chất

1.3.2.1. Tạo dung dịch có độ nhớt

Khi hòa tan trong nước, bị hydrate hóa một cách nhanh chóng, không bị đóng cục tạo dung dịch có độ nhớt cao

Xanthan gum có độ nhớt cao Dung dịch có nồng độ khoảng 1% có độ nhớt xấp xỉ 1000 cP khi đo ở 60 v/ph với thiết bị đo độ nhớt Brookfield model LVF ở 250C

Ảnh hưởng của muối: độ nhớt không bị ảnh hưởng khi thêm một lượng lớn muối, như trong 250 g/l dung dịch NaCl chỉ làm tăng không đáng kể độ nhớt của dung dịch

1.3.2.2. Tính tương hợp của xanthan gum

 Với ancohol

Tuy xanthan không hòa tan trực tiếp được trong alcohol nhưng lại có khả năng tương thích với nó Những sản phẩm có chứa xanthan trong công thức thành phần thường chiếm đến 60% dung môi alcohol như ethanol Ta có thể

sử dụng tính chất này để làm cho cocktail, rượu có mùi chocolate trở nên đặc hơn

 Với enzyme

Hầu hết các dung dịch keo đều bị thoái hóa ở một giới hạn nào đó bới các enzyme có mặt trong thực phẩm như cellulase, pectinase, amylase, protease Tuy nhiên, xanthan không bị thoái hóa 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 liên kết 1,4 trong nhánh chính Nhờ đó mà ngăn cản được sự ngưng trùng hợp do enzyme, acid và

kiềm Ứng dụng thực tế, khả năng xanthan chống lại tác động của enzyme

đã được sử dụng trong một số sản phẩm thực phẩm như bánh mứt táo, thực phẩm có chứa tinh bột, gia vị trộn…

1.3.2.3. Gel thuận nghịch về nhiệt độ

Gel tạo thành khi làm nguội các hỗn hợp 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 - 800C Ở cấu hình chuỗi đơn, mạng lưới liên kết yếu đi, hình thành nên trạng thái giả dẻo (pseudoplastic) làm giảm độ nhớt của dung dịch Xanthan gum có khả năng kết hợp được với nhiều chất tạo gel, tạo sệt khác nhau như locust bean gum, konjac, guar gum

1.3.2.4 Khả năng hydrate hóa

Sự hiện diện của những chuỗi tích điện âm trong phân tử xanthan gum làm tăng khả năng hydrate 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 gum rất bền khi lạnh đông cũng như rã đông

1.4 Tình hình sử dụng một số loại polysaccharide

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 có vai trò vượt trội hơn bởi dễ dàng sản xuất và được ứng dụng nhiều Thực vậy, nó đang dần được sử dụng nhiều trong thực phẩm và trong việc tạo ra chất độn cho mỹ phẩm Trong công nghiệp polysaccharide thì xanthan 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

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

Bảng 2: Tỷ suất tăng trung bình hàng năm của những polysaccharide thương mại chủ yếu: những

dự báo và phân tích của thị trường Mỹ

TỶ SUẤT TĂNG TRUNG BÌNH HẰNG NĂM (%)

-NATURAL GUM

CELLULOSICS

-2 NGUYÊN LIỆU

2.1 Vi sinh vật

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 2: Vi khuẩn Xanthomonas campestris

Hình 3 Vi khuẩn Xanthomonas campestris gây bệnh ở cây bắp cải

Vi khuẩn Xanthomonas campestris thuộc:

• Giới: Vi khuẩn

• Ngành: Proteobacteria

• Lớp: Gamma Proteobacteria

• Bộ: Xanthomonadales

• Họ: Xanthomonadaceae

• Giống: Xanthomonas

Vi khuẩn Xanthomonas campestris có dạng hình que đơn, thẳng Rộng 0.4 – 0.7µm, dài 0.7 – 1.8

µm, vi khuẩn Gram âm, có khả năng di động nhờ tiên mao mọc ở cực, không có khả năng khử nitơ, phản ứng catalase dương tính, oxidase âm tính Phát triển trên môi trường dinh dưỡng agar,

bị ức chế bới 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 hoặc dibromoaryl polyene

Tính không ổn định thuộc về di truyền của vi khuẩn X campestris sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cũng như số lượng xanthan xuất hiện khi nuôi cấy nó Sự đột biến gene có liên quan đến việc hình thành 3 dạng khác nhau: L (large) và S (small) và VS (very small) Trong khi dạng L sản xuất ra một lượng lớn xanthan với chất lượng thấp mong muốn thì dạng S lại cho lượng sản phẩm ít và chất lượng thì kém Còn VS không tổng hợp xanthan

Những chức năng của xanthan chưa được nhận biết đầy đủ, nhưng có một bằng chứng chắc chắn rằng có một lớp polysaccharide ở xung quanh màng tế bào, bảo vệ tế bào tránh khỏi những tác

động của môi trường xung quanh Ví dụ như khả năng giữ nước của xanthan, nó sẽ cung cấp một lớp màng bảo vệ dưới điều kiện môi trường hanh khô

Tiêu chí chọn giống

• Giống vi khuẩn phải có khả năng sinh tổng hợp xanthan mạnh, sản phẩm này có chất lượng và số lượng cao hơn hẳn các sản phẩm phụ khác trong quá trình trao đổi chất của chúng

• Giống phải có khả năng sử dụng các nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm

• Giống vi khuẩn có tính thích nghi cao, đặc biệt phải thích nghi với điều kiện sản xuất công nghiệp, trong đó có sự ổn định vệ nhiệt độ, pH,…

• Giống phải có tốc độ sinh sản và phát triển rất mạnh trong điều kiện môi trường công nghiệp Tính chất này rất quan trọng vì khi nhiễm vi sinh vật lạ thì giống dùng trong sản xuất phải có khả năng át chế sự phát triển của vi sinh vật lạ

• Giống phải ổn định trong bảo quản và dễ dàng bảo quản

2.2 Nguồn cacbon

Glucose và saccharose là hai nguồn carbon được sử dụng phổ biến để cung cấp cho vi khuẩn Xanthomonas campestris trong quá trình lên men thu nhận xathan Trong đó glucose là nguồn carbon vi khuẩn Xanthomonas campestris

dễ sử dụng Tuy nhiên, ở nồng độ cao nó lại ảnh hưởng xấu tới quá trình lên men của vi khuẩn, theo các nghiên cứu thì khi nồng độ glucose 2 -4% w/w là môi trường lý tưởng cho quá trình lên men

Để thuận tiện và chủ động cho việc sản xuất, ta dùng syrup glucose làm nguồn cung cấp carbon cho vi khuẩn Syrup glucose sẽ được chuẩn bị sẵn và cần phải được kiểm tra trên những chỉ tiêu sau:

• Chỉ tiêu cảm quan: màu sắc, độ trong, mùi vị,…

• Chỉ tiêu hóa lý: chỉ số DE, tổng hàm lượng chất khô, độ chua, độ nhớt,

…

• Chỉ tiêu vi sinh: tổng số vi khuẩn hiếu khí, nấm men và nấm mốc

2.3 Nguồn nitơ

Vi khuẩn Xanthomonas campestris có thể sử dụng được cả nguồn nito hữu cơ

và nguồn nito vô cơ Vì vậy mà ta có thể dùng nước ngâm hạt ngũ cốc, dịch thủy phân casein, dịch chiết nấm men, dịch chiết từ đậu nành, tuy nhiên

nguồn nito thường được sử dụng nhất là muối amoni trong môi trường nhân giống và nitrat trong môi trường lên men Xanthan được sản xuất có chất lượng tốt nếu X campestris được nuôi dưỡng trong một môi trường tổng hợp đơn giản gồm NH4Cl, glucose và muối

2.4. Nguồn khoáng và yếu tố sinh trưởng

Ngoài việc cung cấp các nguyên tố cơ bản thì để quá trình lên men được diễn

ra tốt nhất ta cũng cần cung cấp đầy đủ cho vi khuẩn các nguyên tố khoáng

và các yếu tố sinh trưởng

Các muối vô cơ là nguồn chất dinh dưỡng không thể thiếu đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật Chúng có các chức năng sinh lý chủ yếu là: tham gia vào thành phần của các trung tâm hoạt tính ở các enzyme của vi sinh vật, duy trì tính ổn định của kết cấu các đại phân tử và tế bào, điều tiết và duy trì cân bằng áp suất thẩm thấu của tế bào, khống chế điện thế oxy hoá khử của

tế bào và là nguồn vật chất sinh năng lượng đối với một số loài vi sinh vật Bảng 3: Muối vô cơ và chức năng sinh lý của chúng

Nguy

ên tố Hợp chất sử dụng Chức năng sinh lý Tiêu chuẩn kĩ thuật

K2HPO4 Là thành phần của acid nucleic, nucleoprotein, phospholipid,

coenzyme, ATP Làm nên hệ thống đệm giúp điều chỉnh pH môi trường

S (NH4)2SO4,

MgSO4 Là thành phần của các aminoacid chứa S, một số

vitamin; glutathione có tác dụng điều chỉnh điện thế oxy hoá khử trong tế bào

Mg MgSO4 Là thành phần trung tâm hoạt

tính của enzyme phosphoryl hoá hexose, dehydrogenase của acid isocitric, polymerase của acid nucleic, thành phần của

chlorophyll và bacterio-chlorophyll

Ca CaCO3,

CaCl2,

Ca(NO3)2

Tạo tính ổn định của một số cofactor, enzyme duy trì, cần cho sự dựng trạng thái cảm thụ

TCVN 3912:1984

của tế bào.

Na NaCl Thành phần của hệ thống

chuyển vận của tế bào, duy trì

áp suất thẩm thấu, duy trì tính

ổn định của một số enzyme

K KH2PO4 Là cofactor của một số enzyme,

duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào, là nhân tố ổn định của ribosome ở một số vi khuẩn ưa mặn

Fe FeCl3.6H2O

FeSO4 Thành phần của sắc tố vi khuẩn và một số enzyme, là vật chất

nguồn năng lượng của một số vi khuẩn sắt, cần thiết để tổng hợp chlorophyll và độc tố vi khuẩn bạch hầu

Trong quá trình sinh trưởng vi sinh vật còn cần tới một số nguyên tố vi lượng như: Zn, B Những nguyên tố này cũng có vai trò quan trọng mặc dầu chỉ cần với số lượng rất nhỏ, khoảng đến mol/ L môi trường nuôi cấy Nguyên tố vi lượng tham gia vào thành phần enzyme và làm hoạt hoá enzyme

Các chất hỗ trợ kĩ thuật như chất chống bọt (QCVN 4-7:2010/BYT - Quy chuẩn

kỹ thuật quốc gia về phụ gia thực phẩm - Chất chống tạo bọt), chất điều chỉnh độ pH: acid citric (QCVN 4-11 : 2010/BYT- quy chuẩn kỹ thuật quốc gia

về phụ gia thực phẩm – chất điều chỉnh độ acid)

2.5. Nước

Nước được sử dụng trong quy trình sản xuất xanthan có hai vai trò là:

• Pha loãng môi trường nhân giống và môi trường lên men tới nồng độ thích hợp cho sự sinh trưởng của vi khuẩn ở từng quá trình

• Nước được sử dụng để pha loãng canh trường sau lên men để giảm độ nhớt, tăng hiệu quả tách tế bào vi khuẩn ở quá trình ly tâm phía sau Nước sử dụng trong quy trình sản xuất cần phải đạt được những chỉ tiêu sau:

• Độ cứng chung (mg – đương lượng) ≤ 7

• Hàm lượng muối carbonate ≤ 50 mg/l

• Hàm lượng muối Mg ≤ 100 mg/l

• Hàm lượng muối clorua: 75 – 150 mg/l

• Hàm lượng muối CaSO4: 130 – 200 mg/l

• Hàm lượng Fe2+≤ 0.3 mg/l

• Khí NH3 : không có