TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA
CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2015-2016
NGHÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÊN MEN
SẢN XUẤT MÀNG CELLULOSE SINH HỌC
TỪ PHẾ PHẨM XƠ MÍT
THUỘC NHÓM NGÀNH KHOA HỌC:
KHOA TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG
Bình Dương, 2016
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA
CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2015-2016
NGHÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÊN MEN
SẢN XUẤT MÀNG CELLULOSE SINH HỌC
TỪ PHẾ PHẨM XƠ MÍT
THUỘC NHÓM NGÀNH KHOA HỌC:
KHOA TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG
Sinh viên thực hiện: Trần Thị Thanh Mỷ
Nam, Nữ: Nữ
Dân tộc: Kinh
Lớp: C14SH02
khoa: Tài nguyên môi trường
Năm thứ: 2 /Số năm đào tạo: 3
Ngành học: Sư phạm sinh học
Người hướng dẫn: Ths. Phan Văn Thuần
Bình Dương, 2016
UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: “Bước đầu nghiên cứu quá trình lên men sản xuất màng cellulose sinh học từ
phế phẩm xơ mít”
- Sinh viên thực hiện: Lê Thị Trang – Hoàng Thị Thắm – Lê Thị Hà Mỹ – Trần Thị Thanh Mỷ
- Lớp: C14SH02
- Khoa: Tài Nguyên Môi Trường
- Năm thứ: 2
- Số năm đào tạo: 3
- Người hướng dẫn: Th.S Phan Văn Thuần
2. Mục tiêu đề tài:
- Nghiên cứu tối ưu hóa môi trường lên men tạo màng cellulose.
- Tạo ra các màng cellulose sinh học từ phế phẩm xơ mít.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Tận dụng các phế phẩm xơ mít làm nguyên liệu để lên men tạo màng cellulose sinh học.
- Nghiên cứu được môi trường thích hợp cho quá trình lên men tạo màng cellulose sinh học.
4. Kết quả nghiên cứu:
Kết quả thu được màng cellulose từ các kết quả nghiên cứu sau:
-
Đã tiến hành quá trình phân lập, nhân sinh khối, giữ giống thành công với chủng A.
xilynum tại phòng thí nghiệm.
-
Dịch chiết xơ mít bổ sung vào môi trường lên men nhằm giảm hàm lượng đường glucose
và tiến tới thay thế nước dừa, đây là những nguyên liệu làm tăng chi phí của sản phẩm. Kết
hợp %V dịch chiết xơ mít nồng độ thích hợp làm tăng hiệu suất tạo màng.
-
Tất cả các môi trường hiện diện dịch chiết xơ mít đều cho kết quả tạo màng cellulose, lớn
hơn so với môi trường đối chứng không bổ sung dịch chiết xơ mít.
-
Giữa mít thái và mít tố nữ, dịch chiết mít thái cho hiệu quả tạo màng tốt hơn, môi trường
tốt nhất là MT lên men + 10g/L Glu + 20% dịch chiết, sau 6 ngày lên men thu màng ướt
đạt trọng lượng 4.31 g/100ml, màng khô đạt trọng lượng 0.58g/100ml.
5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, khả năng áp dụng của đề tài:
- Tận dụng hiệu quả các phế phẩm không còn sử dụng và giảm tải được chất thải ra môi trường.
- Giảm chi phí nguyên liệu tạo sản phẩm màng cellulose vi khuẩn.
- Bước đầu nghiên cứu quá trình lên men sản xuất màng cellulose vi khuẩn từ phế phẩm xơ mít
là tiền đề và được mong đợi là vật liệu hóa sinh mới với những ứng dụng có giá trị và đang
tiếp tục được nghiên cứu.
6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài:
Ngày tháng năm
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(Ký, họ và tên)
Trần Thị Thanh Mỷ
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực hiện đề tài
Tôi đánh giá cao về kết quả nghiên cứu đề tài. Trong thời gian nghiên cứu nhóm sinh viên đã
làm việc nghiêm túc và hoàn thành được nội dung lớn. Nghiên cứu tỉ lệ % dịch chiết xơ mít lên
năng suất của quá trình tạo màng cellulose. Nghiên cứu thời gian thích hợp để thu nhận màng
cellulose năng suất lớn nhất. Nghiên cứu quá trình thu nhận và xử lý sản phẩm tốt nhất. Tuy kết
quả thu được màng cellulose với độ dai, độ kết tinh, hiệu suất chưa cao vì vậy tiếp tục nghiên
cứu.
Xác nhận của lãnh đạo khoa
(ký, họ và tên)
Ngày
tháng
năm
Người hướng dẫn
(ký, họ và tên)
Phan Văn thuần
UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:
Họ và tên:
Ảnh
4x6
TRẦN THỊ THANH MỶ
Sinh ngày: 25/02/1995
Nơi sinh: Ninh Thuận
Lớp: C14SH02 - Khóa: 2014 - 2017
Khoa: Tài Nguyên Môi Trường
Địa chỉ liên hệ: 586 Lê Hồng Phong - phường Phú Hòa - TP Thủ Dầu Một - tỉnh Bình
Dương
Điện thoại: 01677255520 - Email:
[email protected]
II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP
* Năm thứ 1:
Ngành học: Cao đẳng Sư phạm Sinh học - Khoa: Khoa học tự nhiên
Kết quả xếp loại học tập: TB Khá
* Năm thứ 2:
Ngành học : Cao đẳng Sư phạm Sinh học - Khoa: Tài Nguyên Môi Trường
Kết quả xếp loại học tập: TB Khá
Ngày
Xác nhận của lãnh đạo khoa
tháng
năm
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
MỤC LỤC
MỤC LỤC..........................................................................................................................I
DANH MỤC HÌNH..........................................................................................................II
DANH MỤC BẢNG.......................................................................................................III
DANH MỤC VIẾT TẮT................................................................................................IV
MỞ ĐẦU ...........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU.........................................................................2
1.1
CELLULOSE VI KHUẨN VÀ VI SINH VẬT TỔNG HỢP CELLULOSE:......2
1.1.1
Lịch sử nghiên cứu sự sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn:...............................2
1.1.2
Cellulose vi khuẩn và tính chất của cellulose vi khuẩn:.................................2
1.1.3
Vi sinh vật tổng hợp cellulose:........................................................................5
1.2
SINH TỔNG HỢP CELLULOSE TỪ VI KHUẨN A.XYLINUM:.....................9
1.2.1
Quá trình sinh tổng hợp cellulose ở A. xylinum:............................................9
1.2.2
Cơ chế sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn:.....................................................10
1.2.3
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp cellulose:.............................12
MỘT SỐ THIẾT BỊ LÊN MEN SẢN XUẤT CELLULOSE VI KHUẨN:....................17
1.3
ỨNG DỤNG CỦA CELLULOSE VI KHUẨN:.................................................23
1.3.1
Thực phẩm:...................................................................................................23
1.3.2
Y học:............................................................................................................24
1.3.3
Các ngành công nghiệp khác:.......................................................................24
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP..................................................28
2.1
ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU:
28
2.1.1
Đối tượng: Gluconacetobacter xylinus là trực khuẩn, gram âm thuộc:.......28
2.1.2
Địa điểm nghiên cứu:....................................................................................28
2.1.3
Phương pháp nghiên cứu:.............................................................................28
2.2
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN:...............................33
2.2.1
Nội dung nghiên cứu:....................................................................................33
2.2.2
Tiến độ thực hiện:.........................................................................................33
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.....................................................................34
3.1
THUẦN KHIẾT GIỐNG VÀ NHÂN GIỐNG ĐÃ THUẦN KHIẾT:...............34
3.1.1
Tuyển chọn khuẩn lạc:..................................................................................34
3.1.2
Quan sát vi thể:.............................................................................................35
3.2
CHUẨN BỊ NGUYÊN LIỆU CHO MÔI TRƯỜNG LÊN MEN:......................37
3.3
LÊN MEN TẠO MÀNG CELLULOSE:............................................................38
3.4
SO SÁNH HIỆU SUẤT LÊN MEN TẠO MÀNG CELLULOSE:....................42
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................43
I
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Cấu trúc của cellulose vi khuẩn......................................................................3
Hình 2.2: Cellulose vi khuẩn (a) và cellulose thực vật (b).............................................5
Hình 2.3: SEM của A. xylinum.......................................................................................7
Hình 2.4: Con đường tổng hợp cellulose trong A. xylinum..........................................10
Hình 2.5: Cơ chế sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn......................................................11
Hình 2.6: Sự giải phóng cellulose ra môi trường ngoài từ A. xylinum..........................12
Hình 2.7: Cellulose được tạo thành trong điều kiện nuôi cấy tĩnh và có khuấy đảo.....14
Hình 2.8: Cấu trúc trong điều kiện nuôi cấy tĩnh và nuôi cấy có khuấy đảo ...............15
Hình 3.1: Ảnh khuẩn lạc giống A.xylinum..................................................................35
Hình 3.2: Quan sát vi thể vi khuẩn A.xylinum.............................................................36
Hình 3.3: Giống A.xylinum môi trường tăng sinh.......................................................37
Hình 3.4: Ảnh dịch chiết xơ mít...................................................................................38
Hình 3.5: Ảnh màng cellulose sau quá trình lên men...................................................40
II
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Các vi sinh vật có khả năng tổng hợp cellulose.......................................................6
Bảng 2.2: Đặc tính cấu trúc St-BC và Ag-BC ......................................................................15
Bảng 2.3: Tính chất St-BC và Ag-BC .................................................................................16
Bảng 2.4: Ảnh hưởng của nguồn carbon lên sự tổng hợp cellulose của A. xylinum IFO 13693
................................................................................................................................... 22
Bảng 2.5: Các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cellulose vi khuẩn..................................25
Bảng 3.1: Kết quả quan sát vi thể.........................................................................................36
Bảng 3.2: : Khối lượng màng cellulose thu được sau 6 ngày nuôi cấy đối với mít thái........39
Bảng 3.3: Khối lượng màng cellulose thu được sau 6 ngày nuôi cấy đối với mít tố nữ........40
Bảng 3.4: Biểu đồ so sánh hiệu suất tạo màng .....................................................................42
III
DANH MỤC VIẾT TẮT
-
Ag-BC: agitated bacterial cellulose (cellulose vi khuẩn thu nhận được dưới điều
kiện nuôi cấy có khuấy đảo)
-
A. xylinum: Acetobacter xylinum
-
ATP: adenosine triphosohate
-
BASYC®: bacterial synthesised cellulose
-
Cel-: non-producing mutants – chủng vi khuẩn đột biến không tổng hợp cellulose.
-
cfu: cololy-forming units – khuẩn lạc
-
CS: cellulose synthase
-
CSL: corn steep liquor
-
DAP: diamon phosphate
-
DP: degree of polymerization
-
FK: Fructosekinase
-
FBP: Fructose-1,6-biphosphate phosphatase
-
Fru-bi-P: Fructose-1,6-bi-phosphate
-
Fru-6-P: Fructose-6-phosphate
-
GK: Glocosekinase
-
G6PDH: Fructose-1-phosphate kinase
-
Glc-6-P: Glucose-6-phosphate
-
Glc-1-P: Glucose-1-phosphate
-
HS: Hestrin-Schramm
-
HR/MAS 1H NMR: high resolution/magic angle spinning hidrogen-1 nuclear magnetic
resonance.
-
PGI: Phosphoglucoisomerase
IV
-
PGM: Phosphoglucomutase
-
PTS: Phosphatransferase
-
PGA: Phosphogluconic acid
-
S/V: surface/volume ratio - tỉ lệ diện tích/thể tích
-
SEM: Scanning electronic microscopy
-
St-BC: Static bacterial cellulose (cellulose vi khuẩn thu nhận được dưới điều kiện
nuôi cấy tĩnh)
-
SA: Sulfate amon
-
UGP: UDP-glucose pyrophosphorylase
-
UDPG: Uridine diphosephoglucose
-
YPM: Yeast extract Peptone Mannitol
-
YE: Yeast extract – cao nấm men
V
MỞ ĐẦU
Cellulose là một hợp chất hóa học thường được biết đến với vai trò là bộ khung
xương quan trọng trong cơ thể thực vật. Không những cellulose được tổng hợp bởi
thực vật, mà cellulose còn được tổng hợp nên bởi vi sinh vật, với tên gọi là cellulose vi
khuẩn. Một trong những loài vi sinh vật có khả năng tổng hợp cellulose rất tốt đó là A.
xylinum. Cellulose vi khuẩn ngày càng được quan tâm nhiều hơn bởi khả năng ứng
dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học: công nghiệp thực phẩm, y học, mỹ phẩm,
khoa học vật liệu, âm thanh, xử lý nước thải, bảo vệ môi trường… Gần đây, khả năng
ứng dụng cellulose vi khuẩn không ngừng được nghiên cứu, cải tiến bởi các nhà khoa
học trên thế giới.
Trên thế giới màng Bacterial cellulose đã được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh
vực công nghệ khác nhau: như dùng làm màng phân tách cho quá trình xử lí nước,
chất mang đặc biệt cho các pin và năng lượng cho tế bào, dùng làm chất biến đổi độ
nhớt trong sản xuất các sợi truyền quang, làm môi trường cơ chất trong sinh học. Đặc
biệt trong lĩnh vực y học, màng BC đã được ứng dụng làm da tạm thời thay thế da
trong quá trình điều trị bỏng, loét da, làm mạch máu nhân tạo điều trị các bệnh tim
mạch, làm mặt nạ dưỡng da cho con người.
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và ứng dụng màng BC còn ở mức độ khiêm tốn, các
nhà nghiên cứu ứng dụng mới chỉ dừng lại bước đầu nghiên cứu. Các kết quả ứng
dụng của màng BC hầu như mới chỉ dừng lại ở điều kiện thí nghiệm.
Trong công nghệ đồ uống và thực phẩm, cellulose vi khuẩn đã được ứng dụng làm
nhiều sản phẩm như: nước trái cây, thực phẩm chức năng… Đặc biệt, một ứng dụng
của cellulose vi khuẩn mới được phát hiện gần đây là khả năng ứng dụng làm màng
bao thực phẩm chống vi sinh vật rất hiệu quả. Việc ứng dụng cellulose vi khuẩn vào
sản xuất công nghiệp nói chung và làm màng bao thực phẩm nói riêng đòi hỏi phải có
được các nguồn nguyên liệu cellulose vi khuẩn dồi dào, ổn định, và phù hợp với tính
chất của các ứng dụng. Nhiều kết quả nghiên cứu đã cho thấy khi nuôi cấy dưới điều
kiện có khuấy đảo thì hiệu suất sinh tổng hợp cellulose của A. xylinum sẽ cao hơn khi
nuôi cấy tĩnh. Tuy nhiên, với mục đích sử dụng cellulose vi khuẩn làm màng bao
chống vi sinh vật trong công nghệ thực phẩm, yêu cầu cellulose thu được phải ở dạng
màng. Với mục đích đó, chúng tôi thực hiện đề tài “Bước đầu nghiên cứu quá trình
lên men sản xuất màng cellulose sinh học từ phế phẩm xơ mít”.
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1
Cellulose vi khuẩn và vi sinh vật tổng hợp cellulose
1.1.1
Lịch sử nghiên cứu sự sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn
Sự tổng hợp lớp màng cellulose ngoại bào của vi khuẩn A. xylinum lần đầu tiên
được báo cáo bởi Brown (1986). Theo đó, khi nghiên cứu về vi khuẩn acetic, Brown
đã phát hiện và quan sát thấy một khối rắn mà theo ông lúc đó khối rắn này không nằm
trong các kết quả nghiên cứu ông dự định trước. Khối rắn này khó bị phân hủy và
giống với mô động vật. Hợp chất đó sau này được xác định là cellulose và vi khuẩn
tổng hợp ra nó là Bacterium xylinum.
Đến nửa thế kỷ XX, các nhà khoa học mới thực sự nghiên cứu nhiều về cellulose
vi khuẩn. Đầu tiên, Hestrin (1954) đã nghiên cứu về khả năng tổng hợp cellulose của
vi khuẩn A. xylinum. Ông đã chứng minh rằng vi khuẩn này có thể sử dụng đường để
tổng hợp cellulose. Sau đó, Next và Colvin (1957) chứng minh rằng cellulose được A.
xylinum tổng hợp trong môi trường có đường và ATP. Cùng với sự tiến bộ của khoa
học kỹ thuật, cấu trúc của cellulose vi khuẩn ngày càng được hiểu khá rõ, đó là các
chuỗi polymer do các glucopyranose nối với nhau bằng liên kết -1,4-glucan.
Saxena (1990) đã giải thích cơ chế tổng hợp cellulose của A. xylinum bằng việc
giải trình từ đoạn gen tổng hợp cellulose. Ông đã tách chiết được đoạn polypeptide
liên quan đến quá trình tổng hợp cellulose tinh khiết dài 83kDa. Từ đó đến nay đã có
nhiều công trình nghiên cứu giúp hiểu rõ thêm cấu trúc, cơ chế tổng hợp, ứng dụng…
của cellulose vi khuẩn [1]. [4].
1.1.2
Cellulose vi khuẩn và tính chất của cellulose vi khuẩn
1.1.2.1
Cellulose vi khuẩn
Cellulose vi khuẩn là một chuỗi polymer do các glucopyranose nối với nhau bằng
liên kết -1,4-glucan. Những chuỗi glucan được vi khuẩn tổng hợp nối lại với nhau
thành thớ sợi thứ cấp, có bề rộng 1,5 nm. Đây là những thớ sợi tự nhiên mảnh nhất khi
so sánh với sợi cellulose sơ cấp trong tượng tầng ở một vài loài thực vật. Các thớ sợi
thứ cấp kết lại thành những vi sợi, những vi sợi tạo thành bó sợi, những bó sợi tạo
2
thành dải. Dải có chiều dày 3 – 4 nm, và chiều dài 130 – 177 nm (Yamanaka, 2000).
Các dải siêu mịn của cellulose vi khuẩn có chiều dài từ 1 µm đến 9 µm tạo thành cấu
trúc mắt lưới dày đặc, được ổn định nhờ các liên kết hydro, đó là lớp màng film [1].
[6].
Hình 2.1: Cấu trúc của cellulose vi khuẩn (Yamanaka , 2000)
1.1.2.2
Mức độ polymer hoá (Degree of polymerization - DP)
Cellulose vi khuẩn và cellulose thực vật tương tự nhau về mặt hóa học, cellulose
bao gồm các liên kết -1,4-glucan, nhưng mức độ polymer hoá khác nhau. DP của
cellulose thực vật khoảng 13000 - 14000, và của cellulose vi khuẩn khoảng 2000 6000. Tuy nhiên, trong một số trường hợp DP của cellulose vi khuẩn có thể đạt 16000
- 20000 phân tử glucose (Watanabe, 1998). Đường kính của bacterial cellulose chỉ vào
khoảng 1/100 đường kính của cellulose thực vật [1]. [6]. [7].
1.1.2.3
Cấu trúc kết tinh của cellulose vi khuẩn
Ngày nay nhờ vào các kỹ thuật công nghệ hiện đại người ta đã xác định được cấu
trúc của cellulose vi khuẩn. Chẳng hạn như kỹ thuật nhiễu xạ tia X giúp xác định được
kích thước và phân biệt cấu trúc cellulose vi khuẩn. Những kỹ thuật khác như phổ
3
hồng ngoại, phổ Raman, và phổ cộng hưởng từ hạt nhân giúp xác định các dạng kết
tinh của cellulose [6]. [7].
Như các cellulose tự nhiên khác, cellulose vi khuẩn được tạo thành bởi hai loại
cấu trúc tinh thể riêng biệt, cellulose I và I. Trong vi sợi cellulose đều có sự tham gia
của hai loại cấu trúc tinh thể này (Yamamoto & Horii, 1993). Trong khi hầu hết tinh
thể I tinh khiết thu được từ cellulose thực vật thì vẫn chưa có cách nào thu nhận được
các tinh thể I tinh khiết từ nguồn này. Cấu trúc của cellulose được tổng hợp từ vi
khuẩn A. xylinum chứa nhiều tinh thể I hơn cellulose thực vật, hàm lượng loại tinh thể
này có thể lên đến hơn 60%. Tỉ lệ này có thể dao động trong khoảng 64% đến 71% tuỳ
vào chủng vi sinh vật và nhiệt độ môi trường (Yamamoto & Horii, 1994). Ngược lại I
chủ yếu có trong thành phần cellulose hình thành nên thành tế bào của một số loài thực
vật bậc cao như cotton và gai. Ở đó, cellulose I chỉ chiếm khoảng 20%.
Nhìn chung, cấu trúc tinh thể được coi như là một yếu tố quan trọng trong việc xác
định các tính chất của cellulose mặc dù cho đến bây giờ vẫn có rất ít các nghiên cứu về
sự tương quan giữa cấu trúc tinh thể và những đặc tính riêng biệt của cellulose được
thực hiện [1]. [6]. [7].
1.1.2.4
Tính chất của cellulose vi khuẩn (El-Saied et al., 2004;
Bielecki et al., 2001)
- Cellulose vi khuẩn là cellulose rất trong suốt, cấu trúc mạng tinh thể mịn, thành
phần tỉ lệ cao.
- Kích thước ổn định, sức căng và độ bền sinh học cao, đặc biệt là cellulose I.
- Khả năng giữ nước và hấp thụ nước cực tốt, tính xốp chọn lọc.
- Có độ tinh sạch cao so với các loại cellulose khác, không chứa ligin và
hemicellulose.
- Có thể bị phân hủy hoàn toàn bởi một số vi sinh vật, là nguồn tài nguyên có thể
phục hồi.
- Khả năng kết sợi, tạo tinh thể tốt.
- Tính bền cơ tốt, khả năng chịu nhiệt tốt: tinh thể cellulose vi khuẩn có độ bền
cao, ứng suất dài lớn, trọng lượng nhẹ, tính bền rất cao.
4
- Lớp màng cellulose được tổng hợp một cách trực tiếp, vì vậy việc sản xuất một
số sản phẩm từ cellulose vi khuẩn không cần qua bước trung gian. Đặc biệt vi khuẩn
có thể tổng hợp được cellulose dưới dạng màng mỏng hoặc dưới dạng các sợi chỉ cực
nhỏ.
- Có thể kiểm soát được đặc điểm lý học của cellulose theo mong muốn bằng
cách tác động vào quá trình sinh tổng hợp cellulose của A. xylinum. Từ đó có thể kiểm
soát các dạng kết tinh và trọng lượng phân tử cellulose [3]. [4]. [6]. [7].
Hình 2.2: Cellulose vi khuẩn (a) và cellulose thực vật (b) (Bielecki, 2001)
1.1.3
Vi sinh vật tổng hợp cellulose
Cellulose vi khuẩn được nhiều loài vi sinh vật tổng hợp trong đó chủng A. xylinum
được biết đến nhiều nhất, đây cũng là loài vi khuẩn sinh tổng hợp cellulose hiệu quả
nhất và được tập trung nghiên cứu nhiều nhất. Cấu trúc của cellulose được tổng hợp
bởi các vi sinh vật khác nhau là khác nhau. Sau đây là bảng tổng quan về các loài vi
sinh vật có khả năng tổng hợp cellulose.
Bảng 2.1 Các vi sinh vật có khả năng tổng hợp cellulose (Jonas, 1998)
Vi sinh vật
Cấu trúc cellulose
5
Vai trò sinh học
Lớp màng ngoại bào
Để giữ vi khuẩn trong môi trường
Dải cellulose
hiếu khí
Achromobacter
Sợi cellulose
Sự kết bông trong nước thải
Aerobacter
Sợi cellulose
Sự kết bông trong nước thải
Agrobacterium
Sợi ngắn
Tham gia vào mô thực vật
Alcaligenes
Sợi cellulose
Sự kết bông trong nước thải
Pseudomonas
Các sợi không tách biệt
Sự kết bông trong nước thải
Rhizobium
Sợi ngắn
Tham gia vào hầu hết thực vật
Sarcina
Cellulose dị hình
Không rõ
Zoogloea
Chưa xác định rõ cấu trúc
Sự kết bông trong nước thải
Acetobacter
Trong đó, Acetobacter được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trong việc sản xuất
cellulose. Đặc biệt là A. xylinum vì những đặc điểm ưu việt của nó như: năng suất tạo
cellulose cao, cấu trúc cellulose phù hợp cho các mục đích sử dụng. [5]. [6]. [7].
1.1.3.1
Phân loại A. xylinum
A. xylinum là một vi khuẩn acetic thuộc họ Acetobacteraceae, họ này bao gồm các
giống sau: Acetobacter, Acidomonas, Asaia, Gluconacetobacter, Gluconobacter và
Kozakia. Các loài vi khuẩn này trước đây được gọi với các tên gọi Acetobacter xylinus
hay Acetobacter xylinum, sau đó được xếp lại vào giống Gluconacetobacter với tên
gọi Gluconacetobacter xylynus.
A. xylinum có thể được phân lập từ các nguồn khác nhau như từ nước quả (Kahlon
& Vyas, 1971), hay từ một số loài thực vật như lá của cây cọ (Faparusi, 1974), từ giấm
(Passmore & Carr, 1975), từ thạch dừa (Bernado, 1998), từ nấm Kombucha và trà [1].
[6]. [7].
1.1.3.2
Đặc điểm hình thái của A. xylinum
A. xylinum có dạng hình que, thẳng hay hơi cong, có thể di động hay không di
động, không sinh bào tử. Là vi khuẩn Gram âm, chúng có thể đứng riêng rẽ hay xếp
thành chuỗi.
Nếu A. xylinum phát triển trên môi trường thiếu chất dinh dưỡng, chúng biến
đổi thành dạng có hình thái đặc biệt như: dạng tế bào phình to, kéo dài, phân nhánh
6
hoặc không phân nhánh và dần dần sẽ gây thoái hóa giống làm giảm hoạt tính một
cách đáng kể.
Khuẩn lạc của A. xylinum có kích thước nhỏ, bề mặt nhầy và trơn, phần giữa
khuẩn lạc lồi lên, dày hơn và sẫm màu hơn các phần xung quanh, rìa mép khuẩn lạc
nhẵn.
Hình 2.3: SEM của A. xylinum (Forge & Preston, 1977)
1.1.3.3
Đặc điểm sinh lý của A. xylinum (Jonas, 1998)
Oxy hóa ethanol thành acid acetic, CO2, H2O.
Phản ứng catalase dương tính: tạo bọt khí trong dung dịch lên men.
Không tăng trưởng trên môi trường Hoyer.
Chuyển hóa glucose thành acid gluconic.
Chuyển hóa glycerol thành dihydroxyaceton.
Không sinh sắc tố nâu.
Tổng hợp cellulose. [1]. [4]. [6]. [7].
7
1.1.3.4
Đặc điểm sinh trưởng của A. xylinum
Lớp màng cellulose tạo ra gây trở ngại đến khả năng biến dưỡng, vận chuyển chất
dinh dưỡng và oxi đến tế bào. Tuy nhiên lớp màng này có thể giữ nước nên giúp vi
khuẩn có thể phân hủy chất dinh dưỡng để sử dụng và giúp tế bào chống lại tia UV.
A. xylinum có thể sử dụng nhiều nguồn cacbon khác nhau và tùy thuộc vào chủng
vi khuẩn mà nguồn đường nào được sử dụng tốt nhất. Chẳng hạn chủng A. xylinum
BPR 2001 sử dụng fructose tốt nhất (Matsuoka, 1993) trong khi chủng A. xylinum IFO
13693 sử dụng glucose hiệu quả hơn (Masaoka, 1993)… A. xylinum có thể chuyển hóa
glucose thành acid gluconic, điều này là nguyên nhân làm cho pH của môi trường nuôi
cấy giảm từ 1 đến 2 đơn vị trong quá trình nuôi cấy.
Nhiệt độ tối ưu để A. xylinum phát triển từ 250C đến 300C và pH từ 5,4 đến 6,3.
Theo Hestrin (1947) thì pH tối ưu để A. xylinum phát triển là 5,5 và không phát triển ở
nhiệt độ 370C ngay cả trong môi trường dinh dưỡng tối ưu. Theo Maccormide, (1996)
cho rằng A. xylinum có thể phát triển trong phạm vi pH từ 3 đến 8, nhiệt độ từ 12 0C
đến 350C và có thể phát triển trong môi trường có nồng độ ethanol lên tới 10%.
Khi nuôi cấy trên môi trường thạch, lúc còn non khuẩn lạc mọc riêng lẻ, khuẩn lạc
nhầy và trong suốt, xuất hiện sau 3 đến 5 ngày. Khi già tế bào mọc dính thành cụm, và
chúng mọc theo đường cấy giống.
A. xylinum có khả năng chịu được pH thấp, vì thế người ta thường bổ sung thêm
acid acetic hay acid citric vào môi trường nuôi cấy để hạn chế sự nhiễm khuẩn lạ và
tăng hiệu suất tổng hợp cellulose [1]. [5]. [7].
1.1.3.5
Vai trò của cellulose vi khuẩn đối với A. xylinum
Màng cellulose được sản xuất bởi A. xylinum đóng nhiều vai trò cho sự phát triển
và tồn tại của vi sinh vật trong tự nhiên.
Cung cấp chất dinh dưỡng cho vi khuẩn trong điều kiện thiếu thức ăn (Bielecki
et al., 2001).
Sự tổng hợp và tiết cellulose bởi A. xylinum giúp tế bào lơ lửng và tới được bề
mặt giàu khí oxy vì đây là vi khuẩn hiếu khí. Do đó chỉ những tế bào gần ranh giới
8
lỏng khí của môi trường mới sản xuất cellulose (Krystynowicz, 2002; Watanabe,
1998)
Màng cellulose xúc tiến sự hình thành tập đoàn của A. xylinum trên cơ chất và
bảo vệ vi khuẩn trước những đối thủ cạnh tranh sử dụng cùng cơ chất.
Vì độ nhớt và đặc tính ưa nước của lớp cellulose nên khả năng chống chịu với
những thay đổi bất lợi (thay đổi pH, sự có mặt của chất độc và vi sinh vật gây bệnh…)
trong môi trường sống tăng lên.
Sợi cellulose giúp chống ảnh hưởng gây chết của tia UV. 23% vi khuẩn acetic
được bao bọc bởi màng cellulose có thể sống sót hơn 1 giờ khi bị chiếu tia UV [1]. [6].
[7].
1.2
Sinh tổng hợp cellulose từ vi khuẩn A. xylinum
1.2.1
Quá trình sinh tổng hợp cellulose ở A. xylinum
Theo Ross et al. (1991), con đường sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn từ glucose
thành các sợi kết tinh đòi hỏi phải có sự tổng hợp uridine diphosphoglucose (UDPGlucose), sau đó là một phản ứng tổng hợp cellulose và cuối cùng là sự tập hợp lại
thành sợi cellulose nhỏ để hình thành nên các dải tinh thể cellulose.
UDP-Glucose là một nucleotide tiền thân của sự tổng hợp cellulose trong A.
xylinum. Như sơ đồ duới đây, quá trình sinh tổng hợp UDP-Glucose từ glucose là một
quá trình trải qua 3 bước có sự tham gia của 3 loại enzyme. Những bước này là sự
phosphoryl hoá của glucose bởi xúc tác của enzyme glucokinase thành glucose-6phosphate, sự izomer hoá của glucose-6-phosphate thành glucose-1-phosphate bởi
phosphoglucomutase,
và
sự
tổng
hợp
UDP-Glucose
bởi
UDP-Glucose
pyrophosphorylase. UDP-Glucose pyrophosphorylase đóng vai trò then chốt trong sự
sinh tổng hợp cellulose của vi khuẩn A. xylinum trong khi các chủng A. xylinum đột
biến không có khả năng tổng hợp cellulose bị thiếu enzyme này (Valla & Kjosbakken,
1981).
9
Hình 2.4: Con đường tổng hợp cellulose trong A. xylinum (Canon & Anderson,
1991)
1.2.2
Cơ chế sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn:
Quá trình sinh tổng hợp cellulose từ A. xylinum trên được chia thành hai giai đoạn
chính: giai đoạn polymer hóa và giai đoạn kết tinh [1]. [6]. [7].
1.2.2.1
Giai đoạn polymer hóa
Đầu tiên enzyme glucokinase (GK) xúc tác phản ứng phosphoryl hóa chuyển
glucose thành glucose-6-phosphate (Glc-6-P). Sau đó enzyme phosphoglucomutase
(PGM) tiếp tục chuyển hóa glucose-6-phosphate thành glucose-1-phosphate (Glc-1-P)
thông qua phản ứng isomer hóa. Glucose-1-phosphate được enzyme UDP-Glucose
pyrophospholyase chuyển hóa thành UDP-Glucose. Cuối cùng, UDP-Glucose được
polymer hóa thành cellulose và cellulose được tiết ra môi trường ngoại bào nhờ một
phức hợp protein màng là cellulose synthase (Iguchi, 2000).
Một số vi khuẩn có khả năng sử dụng đường fructose hiệu quả hơn sẽ tạo cellulose
theo con đường sau: lúc này hệ thống enzyme phosphotransferase sẽ chuyển fructose
thành fructose–1-phosphate. Sau đó fructose-1-phosphate sẽ được chuyển hóa thành
fructose-1,6-biphosphate nhờ enzyme fructose–1-phosphatekinase. Sau đó, enzyme
phosphoglucose isomerase có hoạt tính cao, sẽ giúp chuyển hóa fructose-6-phosphate
thành glucose-6-phosphate. Tiếp theo glucose-6-phosphate lại tham gia vào quá trình
chuyển hóa tương tự như trên để tạo ra cellulose (Iguchi, 2000).
10
.PDF 
52 
1 
143 
