Tài liệu Công nghệ lên men xanthan

GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN MỤC LỤC 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XANTHAN GUM ....................................................................... 4 1.1. Khái niệm ......................................................................................................................... 4 1.2. Lịch sử ra đời ................................................................................................................... 4 1.3. Cấu tạo và tính chất .......................................................................................................... 4 1.3.1. Cấu tạo ...................................................................................................................... 4 1.3.2. Tính chất ................................................................................................................... 7 1.4. 2. NGUYÊN LIỆU ...................................................................................................................... 9 2.1. Vi sinh vật ........................................................................................................................ 9 2.1.1. Phân loại.................................................................................................................... 9 2.1.2. Đặc điểm hình thái .................................................................................................. 10 2.1.3. Tiêu chí chọn giống ................................................................................................ 10 2.2. 3. Tình hình sử dụng một số loại polysaccharide ................................................................. 8 Môi trường lên men ........................................................................................................ 11 2.2.1. Nguồn Carbon ......................................................................................................... 11 2.2.2. Nguồn Nito.............................................................................................................. 11 2.2.3. Nguồn khoáng và yếu tố sinh trưởng ...................................................................... 12 2.3. Nước ............................................................................................................................... 13 2.4. Muối công nghiệp và cồn tinh luyện .............................................................................. 14 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XANTHAN GUM ............................................. 15 3.1. Nhân giống ..................................................................................................................... 17 3.2. Chuẩn bị môi trường lên men......................................................................................... 18 3.3. Lên men .......................................................................................................................... 20 3.4. Thanh trùng .................................................................................................................... 24 3.5. Tách vi sinh vật .............................................................................................................. 26 3.6. Kết tủa ............................................................................................................................ 27 3.7. Tách nước ....................................................................................................................... 28 3.8. Sấy .................................................................................................................................. 29 3.9. Nghiền ............................................................................................................................ 30 3.10. Đóng gói ..................................................................................................................... 32 1 XANTHAN 4. 5. GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM XANTHAN GUM ..................................... 32 4.1. Chỉ tiêu vật lý ................................................................................................................. 32 4.2. Chỉ tiêu hóa lý ................................................................................................................ 32 4.3. Chỉ tiêu vi sinh ............................................................................................................... 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 33 2 XANTHAN GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc của một đơn vị của xanthan gum ..................................................................... 5 Hình 1.2: Cấu tạo của xanthan gum ................................................................................................ 6 Hình 2.1. Vi khuẩn Xanthomonas campestris ................................................................................ 9 Hình 2.2. Cải bắp nhiễm vi khuẩn Xanthomonas campestris ........................................................ 9 Hình 3.1. Sơ đồ qui trình công nghệ sản xuất xanthan ................................................................. 16 Hình 3.2. Thiết bị nhân giống ....................................................................................................... 18 Hình 3.3. Thiết bị khuấy trộn ........................................................................................................ 19 Hình 3.4. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng .......................................................................... 19 Hình 3.5. Chu trình đường phân ................................................................................................... 20 Hình 3.6. Chu trình Tricarbonxylic............................................................................................... 21 Hình 3.7. Sự sinh tổng hợp xanthan.............................................................................................. 22 Hình 3.8. Thiết bị lên men dạng xilanh ........................................................................................ 23 Hình 3.10. Thiết bị li tâm .............................................................................................................. 26 Hình 3.11. Thiết bị kết tủa ............................................................................................................ 28 Hình 3.12. Thiết bị ép trục vít ....................................................................................................... 29 Hình 3.13. Thiết bị sấy bức xạ ...................................................................................................... 30 Hình 3.14. Thiết bị nghiền búa ..................................................................................................... 31 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần % của D – glucose, D – mannose, D – Glucuronic acid, pyruvate, acetate trong polysaccharide do một số chủng vi khuẩn khác nhau tạo ra. ................................................ 6 Bảng 1.2: Tỷ suất tăng trung bình hàng năm của những polysaccharide thương mại chủ yếu: những dự báo và phân tích của thị trường Mỹ. ............................................................................... 8 Bảng 2.1. Chỉ tiêu chất lượng cồn ................................................................................................ 14 Bảng 2.2. Chỉ tiêu chất lượng muối .............................................................................................. 14 3 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 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. 4 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 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. 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 1.1: 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 VSV và điều kiện thực hiện quá trình lên men. Đôi khi khối lượng phân tử xanthan có thể lên đến 13 – 50 triệu Dalton. 5 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN Hình 1.2: Cấu tạo của xanthan gum 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 1.1: 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 X.campestris X.vasculorum D D D – Glucose Mannose Glucuronic Acid 30,1 27,3 14,9 34,9 30,2 17,9 Pyruvate Acetate 7,1 6,6 6,5 6,3 X.faseoli X.juglandis X.gummisudans 30,9 33,2 34,8 28,6 30,2 30,7 15,3 16,8 16,5 1,8 6,9 4,7 6,4 6,4 10 X.fragaria 24,6 26,1 14 4,9 5,5 6 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 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 xanthan. 1.3.2.2. 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… 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. 7 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 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 1.2: Tỷ suất tăng trung bình hàng năm của những polysaccharide thương mại chủ yếu: những dự báo và phân tích của thị trường Mỹ. 8 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 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. 2.1.1. Phân loại Vi khuẩn Xanthomonas campestris: Giới: Ngành: Proteobacteria Bộ: Gamma Proteobacteria Họ: Xanthomonadaceae Giống: Xanthomonas Hình 2.1. Vi khuẩn Xanthomonas campestris Hình 2.2. Cải bắp nhiễm vi khuẩn Xanthomonas campestris 9 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 2.1.2. Đặc điểm hình thái 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. 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 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. 2.1.3. Tiêu chí chọn giống Giống vi khuẩn sử dụng phải đạt những chuẩn mực nhất định mới được phép sử dụng. Các yếu tố cơ bản đối với giống vi khuẩn sử dụng lên men thu nhận xanthan gồm: 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. 10 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN Giống phải ổn định trong bảo quản và dễ dàng bảo quản. 2.1.4. Môi trường nhân giống. Môi trường nhân giống quy mô phòng thí nghiệm: dịch malt trong ống thạch nghiêng chứa:     10 g/l glucose. 5 g/l peptone 3 g/l dịch chiết nấm men. 20g/l agar. Môi trường nhân giống quy mô công nghiệp:  K2HPO4 : 5 g/l  MgSO4.7H2O: 0,1 g/l  Dịch chiết nấm men: 0,5 g/l  Ure : 0,4 g/l  Glucose: 20 g/l 2.2. Môi trường lên men 2.2.1. Nguồn Carbon 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: 2.2.2. 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. 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. 11 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 2.2.3. 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 2.3: Muối vô cơ và chức năng sinh lý của chúng Nguyên tố P S Mg Ca Na K Fe Hợp chất sử dụng Chức năng sinh lý Là thành phần của acid nucleic, nucleoprotein, phospholipid, coenzyme, KH2PO4, ATP... Làm nên hệ thống đệm giúp điều K2HPO4 chỉnh pH môi trường. Là thành phần của các aminoacid chứa S, (NH4)2SO4, một số vitamin; glutathione có tác dụng điều MgSO4 chỉnh điện thế oxy hoá khử trong tế bào. Là thành phần trung tâm hoạt tính của enzyme phosphoryl hoá hexose, MgSO4 dehydrogenase của acid isocitric, polymerase của acid nucleic, thành phần của chlorophyll và bacterio-chlorophyll. CaCO3 Tạo tính ổn định của một số cofactor, CaCl2, enzyme duy trì, cần cho sự dựng trạng thái Ca(NO3)2 cảm thụ của tế bào. Thành phần của hệ thống chuyển vận của tế bào, duy trì áp suất thẩm thấu, duy trì tính ổn NaCl định của một số enzyme. Là cofactor của một số enzyme, duy trì áp KH2PO4 suất thẩm thấu của tế bào, là nhân tố ổn định của ribosome ở một số vi khuẩn ưa mặn. Thành phần của sắc tố vi khuẩn và một số FeCl3.6H2O enzyme, là vật chất nguồn năng lượng của FeS04 một số vi khuẩn sắt, cần thiết để tổng hợp chlorophyll và độc tố vi khuẩn bạch hầu. Tiêu chuẩn kĩ thuật TCVN 3912:1984 12 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 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 10-8-10-6 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) 2.2.4. Công thức phối trộn  Glucose: 30g/l  MgSO4.7H2O: 0,24g/l  (NH4)2SO4: 3,33g/l  H3BO3: 0,0072g/l  FeCl3.6H2O: 0,0042g/l  KH2PO4: 7,2g/l  CaCO3: 0,029g/l  Acid citric: 2g/l  ZnO: 0,006g/l  Dịch chiết nấm men: 0,75 g/l  Peptone: 0,34 g/l  Chất chống bọt: 0,06 g/l  pH ban đầu: 7,0 2.3. 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. 13 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN Nước sử dụng trong quy trình sản xuất cần phải đạt được những chỉ tiêu sau: 2.4. - 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 - Các muối có gốc NO-, NO2-: không có - Vi sinh vật ≤ 100 tế bào/1 cm3 Muối công nghiệp và cồn tinh luyện Muối và cồn là phụ liệu cần thiết cho quá trình kết tủa của xanthan. Để đảm bảo cho chất lượng của sản phẩm xanthan thì muối và cồn cần đạt những tiêu chuẩn sau: Bảng 2.1. Chỉ tiêu chất lượng cồn STT Tên chỉ tiêu Đơn vị đo Yêu cầu 1 Ethanol % v/v Không thấp hơn 96,2 2 Aldehyde tổng mg/l Không vượt quá 4 3 Rượu cao phân tử mg/l Không vượt quá 4 4 Ester mg/l Không vượt quá 30 5 Methanol PP thử với fuchsin acid Âm tính 6 Acid hữu cơ mg/l Không vượt quá 15 7 Fufurol Không có 14 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN Bảng 2.2. Chỉ tiêu chất lượng muối Tên chỉ tiêu Yêu cầu Màu sắc Muối tinh chế, tinh thể màu trắng đều, sạch, không có tạp chất. Khi hòa tan trong nước phải được dung dịch trong, đồng nhất Mùi Không có mùi Dạng ngoài bên Khô ráo, tơi đều, trắng sạch Cỡ hạt 1÷15 mm Độ ẩm < 10% 15 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 3. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XANTHAN GUM Nguyên liệu Giống vi khuẩn Chuẩn bị môi trường Nhân giống Lên men Thanh trùng Pha loãng Tách tế bào VK Xác VK Kết tủa Tách nước Sấy Nghiền Bao bì Đóng bao bì Sản phẩm Hình 3.1. Sơ đồ qui trình công nghệ sản xuất xanthan 16 GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 3.1. Nhân giống Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men. Quá trình nhân giống nhằm mục tiêu thu nhận được số tế bào cao hay nói cách khác sản phẩm của quá trình là sinh khối( thường tính là tổng lượng tế bào/ml). Nó còn có mục đích chuẩn bị cho quá trình lên men tiếp theo được diễn ra tốt hơn. Các biến đổi: - - - - Hóa sinh: Trong quá trình nhân giống vi sinh vật xảy ra rất nhiều phản ứng hóa sinh bên trong và bên ngoài tế bào làm xuất hiện nhiều sản phẩm trao đổi chất, góp phần làm thành phần hóa học của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian cấy. Hóa lý: Trong quá trình nhân giống xảy ra 1 số biến đổi về pha. Việc nhân giống được thực hiện trong điều kiện hiếu khí nên việc sục không khí vào canh trường sẽ làm tăng nồng độ oxy hòa tan trong pha lỏng. Vật lý: Trong quá trình sinh trưởng, 1 phần năng lượng sẽ tỏa ra ngoài dưới dạng nhiệt năng. Hiện tượng này có thể làm tăng nhiệt độ canh trường khi nhân giống vi sinh vật ở qui mô lớn. Do đó cần chú ý hiệu chỉnh nhiệt độ của canh trường trong suốt quá trình nhân giống. Sinh học: Các tế bào vi sinh vật sẽ thực hiện quá trình trao đổi chất và sản sinh ra nhiều thế hệ tế bào mới. Thiết bị: Trong sản xuất, tùy thuộc vào thể tích làm việc của thiết bị lên men mà lượng giống cấy VSV cần cấy sẽ thay đổi ít hay nhiều. Do đó, số cấp nhân giống cũng sẽ thay đổi để các nhà sản xuất thu được đúng lượng giống cần sử dụng. Nếu thể tích bình lên men càng lớn thì lượng giống cấy càng lớn. Nhân giống được chia làm hai giai đoạn: - Nhân giống ở phòng thí nghiệm: sử dụng các ống nghiệm (cấp 1), bình tam giác hoặc erlen(cấp 2 và 3), bình nuôi cấy(cấp 4). Nhân giống ở phân xưởng: sử dụng các bình lên men cho môi trường lỏng. Bình lên men dùng để nuôi cấy giống VSV có cấu tạo tương tự như những bình lên men dùng để nuôi cấy VSV thu nhận các sản phẩm trao đổi chất. Thiết bị có dạng hình trụ đứng, bên trong có cánh khuấy và bộ phân sục khí. Nhiệt độ canh trường trong quá trình nhân giống có thể hiệu chỉnh được nhờ lớp vỏ áo xung quanh thân trụ thiết bị. Ngoài ra, thiết bị còn có các cảm ứng nhiệt độ, pH, oxy,… để giúp cho các nhà sản xuất dễ dàng theo dõi và điều khiển quá trình nhân giống theo phương pháp tự động nhờ sự hỗ trợ của các chương trình phần mềm. 17 XANTHAN GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN Hình 3.2. Thiết bị nhân giống Thông số công nghệ: - Nhiệt độ: tối ưu là 28 – 300C. - pH trung tính là tối ưu cho sự phát triển của X. campestris. - Thời gian: 3.2. Chuẩn bị môi trường lên men Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men. Môi trường được phối trộn theo một tỷ lệ nhất định đảm bảo nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn lên men. Sau khi được phối trộn, môi trường này sẽ được thanh trùng để đảm bảo cho môi trường được vô trùng. Biến đổi: - Vật lý: tăng nhiệt độ của dịch. Sinh học: ức chế và tiêu diệt vi sinh vật. Hóa học: một số phản ứng hóa học dưới tác dụng của nhiệt độ có thể xảy ra như Maillard. Thiết bị: - Thiết bị khuấy trộn: thiết bi có dạng hình trụ đứng, bên trong có cánh khuấy. Thiết bị được làm bằng thép không rỉ. Trong quá trình phối trộn cánh khuấy sẽ hoạt động liên 18 XANTHAN GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN tục để tạo hỗn hợp đồng nhất. Tốc độ cánh khuẩy tương đối lớn, và sẽ tạo ra chuyển động tròn quanh trục và chuyển động theo phương thẳng đứng rất mạnh. Do đó, để hạn chế hiện tượng tạo xoáy, cần lắp thêm các thanh chặn ở thành thùng. Các thanh này còn có tác dụng tăng hiệu quả khuấy trộn. Hình 3.3. Thiết bị khuấy trộn - Thiết bị thanh trùng: sử dụng thiết bị thanh trùng bản mỏng. Hình 3.4. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng Bộ phận chính của thiết bị là những tấm bảng hình chữ nhật rất mỏng, làm bằng thép không rỉ. Mỗi tấm bảng có 4 lỗ tại 4 góc và hệ thống các đường rãnh trên khắp bề mặt để tạo sự chảy rối và tăng diện tích truyền nhiệt. Khi ghép các tấm bảng mỏng lại với nhau trên bộ khung của thiết bị sẽ hình thành nên những hệ thống đường vào và ra cho chất lỏng cần thanh trùng và chất tải nhiệt. 19 XANTHAN GVHD: PGS.TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN Thông số công nghệ:  Nhiệt độ thanh trùng 70 – 750C  Thời gian thanh trùng: 20 phút. Sau quá trình thanh trùng, môi trường được đưa về nhiệt độ 25 -300C để tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn trong quá trình lên men tiếp theo. 3.3. Lên men Mục đích: khai thác. Quá trình lên men là quá trình quyết định tạo ra và thu nhận xanthan. Biến đổi: - - - Sinh học: biến đổi quan trọng trong quá trình lên men là sự trao đổi chất và sự sinh trưởng của vi sinh vật, nó cũng tương tự như quá trình nhân giống nhưng xảy ra mạnh mẽ hơn. Hóa lý: xảy ra tương tự như quá trình nhân giống. Vật lý: trong quá trình lên men, một số chỉ tiêu của canh trưởng sẽ thay đổi về độ nhớt, tỷ trọng,… Cần chú ý sự gia tăng nhiệt độ quá mức sẽ làm giảm hoạt tính trao đổi chất của vi khuẩn. Hóa sinh: Quá trình lên men sản sinh ra xanthan của vi khuẩn Xanthomonas campestris là quá trình lên men hiếu khí. Quá trình chuyển hóa đường glucose thành xanthan được trình bày theo các giai đoạn sau:  Quá trình đường phân là giai đoạn phân hủy phân tử glucose tạo ra acid pyruvic và NADH2. Được chia làm 2 giai đoạn:  Giai đoạn đầu là phân cắt đường glucose thành 2 phân tử đường 3C: AIPG và PDA.  Giai đoạn 2 là biến đổi đường 3C thành acid pyruvic.  Sơ đồ: Hình 3.5. Chu trình đường phân 20