Tiểu Luận Polyme Phân Huỷ Sinh Học Tìm Hiểu Về Polyme Phân Hủy Sinh Học Xanthan.pdf

Đối với ngành thực phẩm, những nhu cầu về gum tự nhiên đang có xu hướng giảmxuống, trong khi đó xanthan lại có xu hướng tăng lên.. 2.Lịch sử ra đời của xanthan gum - Cách đâỵ rất lâu, co

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ POLYME – COMPOZIT VÀ GIẤY

- o0o

-TIỂU LUẬN POLYME PHÂN HUỶ SINH HỌC

TÌM HIỂU VỀ POLYME PHÂN HỦY SINH

HỌC XANTHAN

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thị Thủy

Sinh viên thực hiện : Nhóm 8

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ POLYME – COMPOZIT VÀ GIẤY

- o0o

-TIỂU LUẬN POLYME PHÂN HUỶ SINH HỌC

TÌM HIỂU VỀ POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC

XANTHAN

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thị Thủy

Sinh viên thực hiện : Nhóm 8

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Thị Thủy,giảng viên Trung tâm Công nghệ Polyme – Compozit và Giấy – người thầy đã tận tâmgiảng dạy và hướng dẫn chúng em, đóng góp các ý kiến để giúp chúng em hoàn thiện tiểuluận này Trong quá trình học tập, thầy đã giúp chúng em hiểu biết thêm nhiều kiến thức

bổ ích và nhiều kiến thức thực tế có thể áp dụng cho cuộc sống sau này

Xin cảm ơn các thành viên trong nhóm đã cùng nhau nỗ lực, đóng góp công sức, độngviên, tương tác hỗ trợ, giúp đỡ nhau để cùng nhau hoàn thiện bài tiểu luận này

Trong quá trình hoàn thiện bài tiểu luận, do hạn chế về mặt kiến thức chuyên môn, bàitiểu luận chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, chúng em rất mongnhận được sự đóng góp của thầy/cô, các anh/chị và bạn bè để bài tiểu luận được hoànthiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 25 tháng 06 năm 2023

T/M NHÓM Sinh viên

Nguyễn Hồng Phi

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT iii

MỞ ĐẦU 1

11.1 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO SỰ BIẾN DẠNG VÀ ĐỨT GÃY 2

11.1.1 Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học 2

11.1.2 Mối tương quan giữa tính đàn hồi và tính giảm xóc 3

11.2 BIẾN DẠNG VÀ ĐỨT GÃY CỦA POLYMER 4

11.2.1 Trạng thái ứng suất – biến dạng của polymer 6

11.2.1.1 Trạng thái chung 6

11.2.1.2 Độ bền kéo của nhựa 8

11.2.1.3 Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ 9

11.2.1.4 Polymer bán tinh thể 11

11.2.1.5 Polymer tinh thể lỏng 12

11.2.2 Kéo nguội trong polymer tinh thể 13

11.2.3 Quá trình chuyển tiếp giòn – dẻo 14

11.2.4 Khả năng chịu va đập 16

11.2.4.1 Thiết bị đo 16

11.2.4.2 Cải thiện độ bền va đập bằng cách bổ sung cao su 17

11.2.5 Trạng thái cơ học của elastomer 19

11.2.5.1 Ứng suất – biến dạng 19

11.2.5.2 Tính chất nhớt – đàn hồi của elastomer 21

11.2.6 Vật liệu nhựa gia cường bằng sợi 22

11.2.6.1 Vật liệu nền 23

11.2.6.2 Chất liên kết bề mặt silan 25

11.2.6.3 Composite phân tử 25

11.3.1 Phương trình Griffith 26

11.3.2 Hệ số cường độ ứng suất 27

11.3.3 Một ví dụ cho một mẫu có rãnh ở giữa 28

11.4 BIẾN DẠNG TUẦN HOÀN 29

11.4.1 Cơ chế phát triển vết nứt 31

11.4.2 Lan truyền vết nứt do mỏi 32

11.5 SỰ NỨT VỠ VÀ KHẢ NĂNG TỰ LIỀN CỦA POLYMER DƯỚI GÓC ĐỘ PHÂN TỬ 33

11.5.1 Đứt gãy và hàn gắn tại bề mặt tiếp xúc polymer – polymer 34

11.5.2 Cơ sở phân tử của sự đứt gãy trong chất dẻo thuỷ tinh 35

11.5.2.1 Kích hoạt giếng năng lượng 35

11.5.2.2 Kéo đứt mạch 36

11.5.2.3 Nhiệt độ của chuỗi bị kéo ra 37

11.5.2.4 Yêu cầu về khối lượng phân tử 39

11.5.3 Định luật về tỷ lệ của bề mặt phân chia polymer – polymer 39

11.5.4 Độ bền kéo phụ thuộc vào khoảng cách khuếch tán 40

11.6 SỰ MA SÁT VÀ MÀI MÒN CỦA POLYMER 41

11.6.1 Định nghĩa ma sát và mài mòn 41

11.6.2 Đặc tính của polymer 42

11.7 TRẠNG THÁI CƠ HỌC CỦA POLYMER Y SINH 43

11.7.1 Vật liệu phục hồi nha khoa 43

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt/Ký hiệu Ý nghĩa

UHMWPE Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene

Đối với ngành thực phẩm, những nhu cầu về gum tự nhiên đang có xu hướng giảmxuống, 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

I LỊCH SỬ , NGUỒN GỐC CỦA POLYME

XANTHAN

l Khái niệm

- Xanthan gum là một polysaccharide được sử dụng như là một phụ gia thực phẩm và chấtđiều 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 đâỵ rất lâu, con người đã tìm hiểu được rằng các loài Xanthomonas có thể sản xuất

- Đầu những năm 1960, xanthan trở thành sản phẩm thương mại bởi công ty Kelco với tênthương 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, Rhone Poulenc vàSanofi-Elf của Pháp, Jungbunzlauer của úc

II CẤU TẠO, CẤU TRÚC

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 - mannoza, 1 gốc đường D - glucoronate và các gốc axetat, pyruvic với số lượng thay đổi

Mỗi cụm đơn vị của mạch chính trong chuỗi polysaccarit bao gồm các gốc p - D - glucose, liên kết với nhau bằng liên kết - 1, 4 glycoside Yếu tố này giống với cấu trúc của xenlulozo

Mạch nhánh gồm 1 gốc glucoronate nằm ở giữa liên kết với 2 gốc mannoza Vị trí thứ nhất của gốc D-glucoronate liên kết với vị trí thứ hai của 1 gốc D - mannoza, còn vị trí thứ tư của gốc D-glucoronate liên kết với vị trí thứ nhất của một gốc mannoza khác.Mạch nhánh liên kết với mạch chính tại vị trí thứ 3 trên gốc xenlulozo của mạch chính và vị trí thứ nhất trên gốc mannoza của mạch nhánh

Khoảng một nửa số gốc mannoza ở cuối có nhóm acid pyruvic liên kết do nhóm ketal tạo vòng tại vị ưí 4 - 6 trên gốc mannoza

Gốc mannoza còn lại liên kết với một axetyl 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: cẩu trúc một đơn vị của xanthan gum

2.Khối lương 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 trinh lên menễ

Đôi khi khối lượng phân tử xanthan cũng có thể lên đến 13 - 50 triệu Dalton

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

Hình 2: cấu tạo cua xanthan gum

Mạch chính được mạch bên bảo vệ nên làm cho xanthan tương đối bền với acid,kiềm và enzyme

4.Thành phần cẩu tao

Acid pyruvic là một thành phần rất quan ừọng do nó tác động đến khả năng hòatan trong nước của polymer.Thành phần acid pyruvic trong xanthan khác nhau phụthuộc vào chủng Xanthomonas campestris (có những chủng sản xuất ra hàm lượng acidpyruvic rất cao, có những chủng lại sản xuất ra với hàm lượng rất thấp), điều kiện lênmen 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

III NGUYÊN LIỆU , TỔNG HỢP

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 gât ra bệnh nấm làm cho cây có màu đen

campestrís

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 JU m, dài 0,7 - 1,8 JU m.-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 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 Xể campestrìs 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 X

109 Da Phần trăm G + (guanine + cytosine) có chứa trong chuỗi AND là 63 - 71%c ẵTính không ổn định thuộc về di truyền của vi khuẩn X campestrìs sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cững như số lượng xanthan xuất hiện khi nuôi cấy nó Sự đột biến gene cóliên 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 dưỡngcần 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.campestrỉs 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 cững được biết đến là có khảnăng sản xuất ra polysaccharide ngoại bào tốt Nhưng do sự đa dạng về dinh dưỡng của

X campestrìs nên nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

> Tiêu chí chon giống:

-Không có khả năng sinh độc tốẵ

-Do cần thu nhận sản phẩm trao đổi chất ngoại bào của vi khuẩn nên phải chọn giống có khả năng sinh tổng họp xanthan cao, số lượng lớn không quan tâm

thương mại làm nguồn carbon Saccharose và dịch whey cũng được sử dụng Hàm lượng glucose lên 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/1)

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 oc - 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 họp tạo ra HFCS Giá trị tỉ lệ fructose : glucose trong HFCS là 90 : 10, 42 : 43 hoặc 55 : 45

b.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 NH4CI, glucose và muối

Nhóm khoa học Letisse đã đưa ra một mô hình lên men xanthan với:

- Nguồn cacbon là saccharose

- Nguồn nitơ là NH4CI hoặc NaNƠ3ẵ

- Tốc độ phát triển tương ứng của tế bào là 0,13 h' và 0,07h 1 _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 họp 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

IV TÌNH HÌNH SẢN XUẤT, SỬ DỤNG VÀ TIÊU THỤ CỦA POLYME XANTHAN

2 Tình hình sử dụng, tiêu thụ 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 chât độn cho mỹ phâm

Trong công nghiệp polysaccharide thì xanthan là một trong những đại diện pháttriển nhanh nhất

Đối với ngành thực phẩm, những nhu cầu về gum tự nhiên đang có xu hướnggiảm 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 dựđoán 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

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

TỈ SUẤT TÃNG TRUNG BÌNH HẰNG NĂM (%)

V TÍNH CHẤT CỦA POLYME XANTHAN

1.Tạo dụng 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°c.

Anh hưởng của muối: độ nhớt không bị ảnh hưởng khi thêm một lượng lớn muối,như trong 250 g/1 dung dịch NaCl chỉ làm tăng không đáng kể độ nhớt của dung dịchxanthan

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°c.

Anh hưởng của muối: độ nhớt không bị ảnh hưởng khi thêm một lượng lớn muối,như trong 250 g/1 dung dịch NaCl chỉ làm tăng không đáng kể độ nhớt của dung dịchxanthan

2.Tính tương hơp của xanthan Với alcohol

Tuy xanthan không hòa tan trực tiếp được trong alcohol nhưng lại có khả năngtương thích với nó Những sản phẩm có chứa xanthan trong công thức thành phần thườngchiếm đến 60% dung môi alcohol như ethanol Ta có thể sử dụng tính chất này để làmcho 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, xanthankhông bị thoái hóa bới chúng

Khả năng kháng lại tác động của enzyme là do sự xắp xếp các nhánh chính vànhánh phụ, sự xắp xếp này chống lại tác động của enzyme lên liên kết 1,4 trong nhánhchính Nhờ đó mà ngăn cản được sự ngưng trùng hợp do enzyme, acid và kiềm, ứng dụngthực tế, khả năng xanthan chống lại tác động của enzyme đã được sử dụng trong một số