Đề tài Sản xuất Xanthan gum

Xanthan Gum 1 MỤC LỤC Lời mở đầu -------------------------------------------------------------------------------- 2 I. Giới thiệu chung về xanthan gum -------------------------------------------- 3 1. Khái niệm -------------------------------------------------------------- 3 2. Lịch sử ra đời -------------------------------------------------------------- 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 Sơ đồ quy trình công nghệ ----------------------------------------------------- 12 Giải thích quy trình ------------------------------------------------------------- 13 1. Nhân giống -------------------------------------------------------------------- 13 2. Chuẩn bị môi trường lên men -------------------------------------------- 13 3. Thanh trùng môi trường lên men ---------------------------------------- 14 4. Lên men ----------------------------------------------------------------------- 15 5. Thanh trùng ------------------------------------------------------------------ 29 6. Tách vi sinh vật -------------------------------------------------------------- 30 7. Kết tủa ------------------------------------------------------------------------- 31 8. Tách nước --------------------------------------------------------------------- 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 dược phẩm ----------------------------------------------------------- 36 V. Chỉ tiêu chất lượng 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. Giới thiệu thiết bị phản ứng sinh học CPBR -------------------------- 38 2. Hoạt động của thiết bị ------------------------------------------------------ 39 Lời kết -------------------------------------------------------------------------------------- 40 Tài liệu tham khảo----------------------------------------------------------------------- 41 Xanthan Gum 2 LỜI MỞ ĐẦU 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 hợp 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. Xanthan Gum 3 I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ 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 đời của xanthan gum 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. 3. Cấu tạo hóa học của xanthan gum a. 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 β – D – glucose, liên kết với nhau bằng liên kết – 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 mannose. Vị trí thứ nhất của gốc D-glucoronate 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 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 liên kết do nhóm ketal tạo vòng tại vị trí 4 – 6 trên gốc mannose. Xanthan Gum 4 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 một đơn vị của xanthan gum b. 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 cũng có thể lên đến 13 - 50 triệu Dalton. Hình 2: cấu tạo của xanthan gum Xanthan Gum 5 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 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. d. 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 Vi khuẩn D-Glucose D- Mannose D-Glucuronic Acid Pyruvate Acetate X.campestris 30.1 27.3 14.9 7.1 6.5 X.vasculorum 34.9 30.2 17.9 6.6 6.3 X.faseoli 30.9 28.6 15.3 1.8 6.4 X.juglandis 33.2 30.2 16.8 6.9 6.4 X.gummisudans 34.8 30.7 16.5 4.7 10.0 X.fragaria 24.6 26.1 14.0 4.9 5.5 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. Xanthan Gum 6 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: tỉ suất tăng trung bình hàng năm của những polysaccharide thương mại chủ yếu: những dự báo và phân tích thị trường Mỹ TỈ SUẤT TĂNG TRUNG BÌNH HẰNG NĂM (%) POLYSACCHARIDE THỰC PHẨM DẦU MỎ MỸ PHẨM STARCHES NATURAL GUM: GUAR ALGINS ARABIC CARRAGEENAN LOCUST BEAN CELLULOSICS: CMC HPG HEC MC XANTHAN PECTIN 2.5 2.1 2.7 2.6 4.5 1.9 3.5 --- --- 3.5 8.3 5.2 1.5 --- --- --- --- --- 0.5 1.5 0.5 --- 2.0 --- --- --- 3.7 3.7 3.7 3.1 3.0 --- --- 3.7 5.9 --- Chú thích: Bảng số liệu được cung cấp bởi văn phòng trung tâm truyền thông kinh doanh (Business Communication Co.). CMC: carboxymethylcellulose; HPG: hydroxypropyl guar; HEC: hydroxylethylcellulose; MC: methylcellulose. 5. Tính chất của xanthan a. Tạo dung dịch có độ nhớt Khi hòa tan trong nước, bị hidrate 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. Xanthan Gum 7 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 xanthan. b. Tính tương hợp của xanthan  Với alcohol 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 các loại 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… c. 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. d. 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. Xanthan Gum 8 II. NGUYÊN LIỆU 1. Giống vi sinh vật 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 khuẩn Xanthomonas campestris: Giới: Vi khuẩn Ngành: Proteobacteria Lớp: Gamma Proteobacteria Bộ: Xanthomonadales Họ: Xanthomonadaceae Giống: Xanthomonas  Có dạng hình que đơn, thẳng. Rộng 0,4 - 0,7  m, dài 0,7 – 1,8  m.  Vi khuẩn Gram âm. Xanthan Gum 9  Có khả năng di động nhờ có tiên mao mọc ở cực.  Là loại vi khuẩn dị dưỡng, hiếu khí bắt buộc.  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 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 hoặc dibromoaryl polyene. Theo như cơ sở của sự phân loại, kích cỡ gene trung bình của Xanthoonas là 2.5 × 109 Da. Phần trăm G + C (guanine + cytosine) có chứa trong chuỗi AND là 63 - 71%. 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 2 dạng khác nhau: L (large) và S (small). Trong khi dạng L sản xuất ra một lượng lớn xanthan với những tính chất lưu biến học mong muốn thì dạng S lại cho lượng sản phẩm ít và chất lượng thì kém. 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. Để sinh sản và phát triển, vi sinh vật nào cũng phải hấp thụ những chất dinh dưỡng cần thiết để xây dựng màng, thành tế bào và bào quan bên trong tế bào. Mỗi một loại tế bào khác nhau thì sử dụng nguồn năng lượng khác nhau, chính vì thế cấu tạo hoá học bên trong mỗi cơ thể sinh vật cũng khác nhau. X.campestris 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 chọn giống: - Không có khả năng sinh độc tố. - Do cần thu nhận sản phẩm trao đổi chất ngoại bào của vi khuẩn nên phải chọn giống có khả năng sinh tổng hợp xanthan cao, số lượng lớn không quan tâm đến các sản phẩm 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  Nguồn carbon Trong tiến trình sản xuất công nghiệp, tinh bột và glucose được sử dụng ở mức độ thương mại làm nguồn carbon. Saccharose và dịch whey cũng được sử dụng. Hàm lượng glucose lên Xanthan Gum 10 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 bị giới hạn bởi tính chất lưu biến học của canh trường lên men. Bảng 3: Ảnh hưởng của nguồn carbon lên sản lượng xanthan Các nguồn Cacbon Sản lượng xanthan (g/l) Glucose Saccharose Maltose Fructose Xylose Arabinose 14,744 13,234 15,321 5,232 5,531 10,958 Ở châu Âu người ta dùng syrup bắp để làm nguồn nguyên liệu sản xuất xanthan. Syrup bắp còn được gọi là high fructose corn syrup (HFCS) do có hàm lượng fructose 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 - amylase, glucose amylase thủy phân tinh bột bắp thành đường glucose và enzyme isomerase chuyển hóa glucose thành fructose, tăng độ ngọt và khả năng hòa tan. Sau đó, glucose tinh khiết được thêm vào hỗn hợp tạo ra HFCS. Giá trị tỉ lệ fructose : glucose trong HFCS là 90 : 10, 42 : 43 hoặc 55 : 45.  Nguồn nitơ Đối với nguồn nitơ, 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 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 hợp đơn giản bao gồm NH4Cl, glucose và muối. Nhóm khoa học Letisse đã đưa ra một mô hình lên men xanthan với: - Nguồn cacbon là saccharose. - Nguồn nitơ là NH4Cl hoặc NaNO3. - Tốc độ phát triển tương ứng của tế bào là 0,13 h-1 và 0,07h-1. - Tốc độ hình thành xanthan tương ứng là 0,52 mmol/h.g tế bào và 0,79 mmol/h.g tế bào - 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 hợp cho việc tích lũy sinh khối còn nitrat thì thích hợp cho sản lượng xanthan tạo thành. Nếu thiếu nguồn nitơ vô cơ, ta có thể thay thế bằng nguồn nitơ hữu cơ như sản phẩm thuỷ phân đậu nành. Xanthan Gum 11  Các nguyên tố vi lượng Bên cạnh nguồn carbon và nitơ, sự sinh tổng hợp 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 hợp tăng lên gấp đôi vì ta có thể điều khiển được tính không ổn định của gene cũng như cải tiến được chất lượng của sản phẩm. Mặc dù cấu trúc của sự tổng hợp xanthan về cơ bản độc lập với môi trường nuôi cấy, nhưng có một vài điểm khác biệt về nhóm thế acyl, đặc tính lưu biến học và cả lượng của sản phẩm đạt được. Xanthan Gum 12 III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XANTHAN GUM  Sơ đồ quy trình công nghệ Nguyên liệu (syrup bắp, glucose…) Chuẩn bị môi trường Vi khuẩn Xanthomons campestris Nhân giống Lên men Thanh trùng Kết tủa Sấy Nghiền Đóng gói Sản phẩm Tách nước Thanh trùng Tách vi sinh vật Xác vi sinh vật Xanthan Gum 13 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  10g/l glucose  5g/l peptone  3g/l dịch chiết nấm men  20g/l agar Xanthan Gum 14  bảo quản ở điều kiện 40C Cấy chuyền 2 tuần 1 lần để đảm bảo tính ổn định cho sản phẩm xanthan. 2. Chuẩn bị môi trường lên men Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men. Dưới đây là môi trường dinh dưỡng trong lên men tĩnh:  Glucose: 30g/l  MgSO4.7H2O: 0,