Quy trình sản xuất xanthan gum

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Đề tài 5: QUY TRÌNH SẢN XUẤT XANTHAN GUM GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang Nhóm 2_lớp 11CDTP1 Nguyễn Thị Phương Dung 3005110049 Nguyễn Thị Thùy Dương 3005110041 Nguyễn Thị Oanh 3005110218 Võ Lan Phương 3005110228 Huỳnh Thị Phương Dung 3005110047 Tp.HCM, tháng 6 năm 2014 1 Lời mở 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 xanthan gum”. Tuy nhiên 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. Nhóm chúnng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của cô, để lần sau nhóm em viết tiểu luận đạt kết quả cao hơn. 2 Mục lục 3 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 1. Tổng quan về xanthan gum 1.1. Giới thiệu về xanthan gum 1.1.1. 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. 1.1.2. 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 (U n i t e d S t a t e s D e p a r t m e n t o f A g r i c u l t u r e ) 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 W h i s t l e r ) 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. 4 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 1.1.3. Cấu tạo và tính chất 1.1.3.1. Cấu tạo 1.1.3.2. 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 β – 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 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 H ìn h 1.1: Cấu trúc một đơn vị cuả xanthangum 1.1.3.3. Khối lượng phân tử: Có thể từ 0.9 triệu đến 1.6 triệu Dalton, nó phụ thuộc vào nguồn vi sinh vật 5 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 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 1.2. cấu tạo của xanthan gum 1.1.3.4. 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. 1.1.3.5. 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, 6 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 pyruvate, acetate trong polysaccharide do một số chủng vi khuẩn khác nhau tạo ra . Vi khuẩn D - Glu c ose D- Ma nnose D – Gluc ur onic Pyruv ate Aceta te X.campestris 30,1 27, 14,9 7,1 6,5 X.vasculorum 34,9 30, 2 17,9 6,6 6,3 X.faseoli 30,9 28, 15,3 1,8 6,4 X.juglandis 33,2 30, 16,8 6,9 6,4 X.gum misuda ns 34,8 30, 7 16,5 4,7 10 X.fragaria 24,6 26, 14 4,9 5,5 1.1.4. Tính chất 1.1.4.1. 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 25 0 C. 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. 1.1.4.2. Tính tương hợp của xathangum:  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 đến60% dung môi alcohol như ethanol. Ta có thể sử dụng tính chất này để làm cho cocktail, rượu cómùi chocolate trở nên đặc hơn.  Với các loại enzyme Hầu hết các dung dịch keo đều bị thoái hóa ở một giới hạn nào đó bới các 7 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 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… 1.1.4.3. 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 - 80 0 C. 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. 1.1.4.4. Khả năng hydrat 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. 1.2. 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. 8 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 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. 1.3. Nguyên liệu sản xuất xanthan gum. 1.3.1. Vi sinh vật 1.3.1.1. Giống vi sinh vật Xanthan được sản xuất từ vi khuẩn Xanthanmonas campestris được cô lập từ cây cải bắp, nó chính là loại vi khuẩn gây ra bệnh nấm cho cây có màu đen. Hình 2.1. Vi khuẩn Xanthomonas campestris Hình 2.2. Cải bắp nhiễm vi khuẩn Xanthomonas campestris 9 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 1.3.1.2. Đặc điểm hình thái 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 µm, dài 0,7-1,8µm  Vi khuẩn Gram âm  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 khử nito, 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 xanthangum ( polysaccharide ngoại bào). Công thức hóa học của sắc tố vàng được xác định là môn hoặc dibromoaryl polynen. Tính không ổn định thuộc về di chuyển 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 gen 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 xathan với những tính chất lưu biến học 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 xathan 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 10 [...]... Quy trình sản xuất xanthangum 14 Quy trình sản xuất xanthan gum 2.1 nhóm 2 Nhân giống 15 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 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 sinh khối (thường tính là tổng lượng tế bào/ml) Nhân giống còn có mục đích chuẩn bị cho quá trình lên men tiếp theo được diễn ra... Đóng gói Mục đích: bảo quản và hoàn thiện Sản phẩm xanthan là một sản phẩm hút ẩm mạnh nên cần bao gói chúng trong các bao bì có khả năng chống hút ẩm cao Thiết bị: quá trình đóng gói tiến hành trên dây chuyền tự động 3 Sản phẩm 3.1 Một số sản phẩm xanthan gum có trên thị trường 31 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 3.2 Chỉ tiêu chất lượng của xanthan gum 3.2.1 Chỉ tiêu vật lý Tan hoàn toàn trong cả... tới quá trình lên men của vi khuẩn, theo các nghiên cứu thì 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 làm nguồn cung cấp cho vi khuẩn 11 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 Ở châu âu người ta dùng syrup bắp để làm nguồn nguyên liệu sản xuất xanthan. .. nhận xanthan gum là một quy trình phức tạp và tốn kém vì độ nhớt cao của nó kể cả ở nồng độ thấp, làm cho quá trình vận chuyển, xử lý gặp nhiều khó khăn Do đó, - các chất hoá học được hỗ trợ thêm vào để tăng hiệu quả Một số cách giải quy t cho vấn đề làm sao giảm lượng các chất cần thiết thêm vào trong quá trình kết tủa xanthan gum nhằm nâng cao hiệu suất của quá trình sản xuất: • Tăng nồng độ của xanthan. .. Quy trình sản xuất xanthan gum K Fe 2 KH PO 2 4 FeCl 6H O FeS0 3 2 4 nhóm 2 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 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 Quy trình sản xuất xanthangum 14 Quy. .. phẩm 33 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 Một số sản phẩm có sử dụng xanthan làm phụ gia - Xanthan gum là một loại phụ gia sử dụng trong thực phẩm để tạo độ nhớt, độ sệt, tạo nhũ hay làm chất ổn định, làm bền hệ nhũ tương của dầu và nước, ví du như trong các sản phẩm kem, sữa chua, mayonnaise, salad dressing… - Xanthan có thể được phối trộn và sử dụng kết hợp với các phụ gia khác như guar gum, locust... dụng cơ chất để sinh tổng hợp ra xanthan gum, là một loại polysaccharide ngoại bào Quá trình sinh tổng hợp xanthan gum diễn ra như sau: • Quá trình đường phân là giai đoạn phân huỷ hủy phân tử glucose tạo ra acid pyruvic và NADH Được chia làm 2 giai đoạn: 2  Giai đoạn đầu là phân cắt đường glucose thành 2 phân tử đường 3C: AIPG và PDA 19 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2  Giai đoạn 2 là biến... rộng rãi trong mỹ phẩm như dầu gội đầu, cream, sản phẩm dủng cho tóc, kem đánh răng Đặt biệt xanthan có công dụng làm cho da dễ chịu và không gây tác dụng phụ khi dùng sản phẩm Xanthan tạo ra gel liên kết với đất sét bentonite Nó cũng được dùng để tạo nhũ tương dầu – nước, giúp 34 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 ổn định các giọt dầu, ngăn cản tách pha Xanthan tạo được một số hiệu ứng bề mặt 3.3.3... dược phẩm Xanthan được dùng trong thuốc có dạng huyền phù như thuốc kháng sinh, thuốc đau dạ dày…với vai trò capsule bao giữ bột thuốc và tác dụng hòa tan Nhãn hiệu xanthan trên thị trường: sản phẩm xanthan gum từ Cargill Texturizing Solutions được bán với tên thương hiệu SATIAXANE TM cho thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm và VerXanTM cho các ngành công nghiệp khác 35 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm.. .Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 năng giữ nước của xanthan, nó sẽ cung cấp một lớp màng bảo vệ dưới điều kiện môi trường hanh khô 1.3.1.3 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 nhậ xanthan gồm: - Giống vi khuẩn phải có khả năng sinh tổng hợp xanthan mạnh, sản phẩm . hầu. 2. Quy trình sản xuất xanthangum 14 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 2.1. Nhân giống 15 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men. Quá trình nhân. đạt kết quả cao hơn. 2 Mục lục 3 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 1. Tổng quan về xanthan gum 1.1. Giới thiệu về xanthan gum 1.1.1. Khái niệm Xanthan gum là một polysaccharide được sử dụng. 5 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2 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 1.2. cấu tạo của xanthan gum 1.1.3.4.