Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose

Bộ Công Thương TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Môn Học: Ứng Dụng CNSH trong CNTP ĐỀ TÀI: Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Sang Nhóm thực hiện: Nhóm 17 Thứ 5, Tiết 7-8 Họ và tên MSSV 1. Trần Thị Kim Khánh 2005120393 2. Huỳnh Ngọc Mạnh 2005120349 3. Nguyễn Thị Mộng Tuyền 2005120454 4. Phạm Hải Triều 2005120337 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Danh Sách Nhóm STT Họ và Tên MSSV 1 Trần Thị Kim Khánh 2005120393 2 Huỳnh Ngọc Mạnh 2005120349 3 Nguyễn Thị Mộng Tuyền 2005120454 4 Phạm Hải Triều 2005120337 2 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Mục Lục 3 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Lời 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 (Otomo et al., 2000). 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 (Yoshinaga et al., 1997; Okiyama et al., 1993). Từ những ứng dụng ưu việt trên của Bacterial Cellulose nhóm em đã tiến hành tìm hiểu về công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose trong cuốn tiểu luận này. 4 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose 1 Tổng quan Sự tổng hợp lớp màng cellulose ngoại bào của vi khuẩn A. xylinum lần đầu tiên được báo cáo bởi Brown et al. (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 (Brown et al., 1986). Đến nửa thế kỷ XX các nhà khoa học mới thực sự nghiên cứu nhiều về cellulose vi khuẩn. Đầu tiên, Hestrin et al. (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 β-1,4-glucan. Saxena (1990) đã giải thích cơ chế tổng hợp cellulose của A. xylinum bằng việc giải trình tự 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. 1.1 Giới thiệu tổng quan về Bacterial cellulose 1.1.1 Cellulose vi khuẩn Cellulose vi khuẩn là một chuỗi polymer do các glucopyranose nối với nhau bằng liên kết β-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 thành dải. Dải có chiều dày 3 – 4 nm, và chiều dài 130 – 177 nm (Yamanaka et al., 2000). Các dải siêu mịn của cellulose có chiều dài từ 1 µm đến 9 µm tạo thành cấu 5 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose trúc mắt lưới dày đặc, được ổn định nhờ các liên kết hydro, đó là lớp màng film (Bielecki et al., 2001) Hình 1. Cấu trúc của cellulose vi khuẩn (Yamanaka et al., 2000) 1.1.2 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 β-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 đến 20000 phân tử glucose (Watanabe et al., 1998). Đường kính của bacterial cellulose chỉ vào khoảng 1/100 đường kính của cellulose thực vật (Bielecki et al., 2001) (hình 2.2). 1.1.3 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 hồng ngoại, phổ Raman, và phổ cộng hưởng từ hạt nhân giúp xác định các dạng kết tinh của cellulose (Bielecki et al., 2001). Như các cellulose tự nhiên khác, cellulose vi khuẩn được tạo thành bởi hai loại cấu trúc tinh thể riêng biệt, cellulose I α và I β . Trong vi sợi cellulose đều có sự tham gia 6 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose của loại cấu trúc tinh thể này (Yamamoto & Horii, 1993). Trong khi hầu hết tinh thể I β tinh khiết thu được từ cellulose thực vật thì vẫn chưa có cách nào thu nhận được các tinh thể I α tinh khiết từ nguồn này. Cấu trúc của cellulose được tổng hợp từ vi khuẩn A. xylinum chứa nhiều tinh thể I α 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 β 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 α 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. 1.1.4 Tính chất của cellulose vi khuẩn - Cellulose vi khuẩn là cellulose rất trong suốt, cấu trúc mạng tinh thể mịn, thành phần tỉ lệ Iα 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. - 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 7 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose 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. Hình 2. Cellulose vi khuẩn (a) và cellulose thực vật (b) (Bielecki et al., 2001) 1.2 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. 8 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Bảng Các vi sinh vật có khả năng tổng hợp cellulose 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… 1.2.1 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 et al., 1974), từ giấm (Passmore & Carr, 1975), từ thạch dừa (Bernado et al., 1998), từ nấm Kombucha và trà (Hermann et al., 1928). 9 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose 1.2.2 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 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 3. SEM của A. Xylinum 1.2.3 Đặc điểm sinh lý của A. xylinum (Jonas et al., 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. 10 [...]... chất màu, chất mùi Sản phẩm Tách khối cellulose Chỉnh pH Lên men 10 – 12 ngày Acid acetic Giống Rửa Cắt nhỏ 1×2×2,5 cm Ngâm Na2CO3 30 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose (3-5% trong 10 phút) Nước dừa già Lọc Thanh trùng 10-45 phút Làm nguội Bổ sung đường SA, DAP Thạch dừa thô 31 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose 2 Quy trình công nghệ 32 Ứng dụng... (1998) đã so sánh lượng cellulose tổng hợp bởi vi khaaunr A.xylinum IFO 13693 khi sử dụng các nguồn carbon khác nhau, glucose được chọn làm nguồn carbon để đối chứng bảng (bảng 2.4) 24 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose 25 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose 1.3.3.6 Tỷ lệ diện tích bề mặt – thể tích (S/V) Bởi vì sự hình thành cellulose diễn ra trên... pH môi trường bằng acid acetic: pH ≤ 5 Nước dừa già: được lấy từ các nhà sản xuất cơm dừa sấy khô Nước thơm ép: được ép từ vỏ và lõi từ các nhà máy sản xuất dứa đóng hộp Rỉ đường: phế phẩm của các nhà máy sản xuất đường Nước mía: được ép từ thân mía b.Môi trường tham khảo: 26 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Bảng các loại môi trường nuôi cấy lên men thạch dừa Môi trường... trong toàn dung dịch và phát triển theo chiều sâu của môi trường Cellulose được tạo ra có dạng viên hình cầu, elip,… Đây là kỹ thuật nuôi cấy mong đợi sẽ đem lại hiệu quả tạo cellulose cao, có thể ứng dụng trong sản xuất cellulose vi khuẩn thương mại nhưng hiện nay cellulose vi khuẩn chỉ mới được sản xuất với sản lượng thấp Sản xuất cellulose từ A xylinum bằng phương pháp nuôi cấy có khuấy đảo gặp... trưởng, sau đó dải cellulose chồng chập và xoắn với nhau tạo thành tấm cellulose trên bề mặt canh trường dinh dưỡng, ngay mặt phân cách pha lỏng khí giàu oxy Dù vẫn được sử dụng để sản xuất cellulose nhưng nuôi cấy tĩnh cho sản lượng thấp và mang tính thủ công Do đó, để sản xuất công nghiệp, cần thiết để thiết lập hệ thống sản xuất hàng loạt sử dụng kĩ thuật nuôi cấy hiệu quả hơn (Edwards, 1995) b.Nuôi... chốt trong sự sinh tổng hợp cellulose của vi khuẩn A xylinum trong khi các chủng A xylinum đột biến 12 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose không có khả năng tổng hợp cellulose bị thiếu enzyme này (Valla & Kjosbakken, 1981) Hình 4 Con đường tổng hợp cellulose trong A.xylinum 1.3.2 Cơ chế sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn Quá trình sinh tổng hợp cellulose từ A xylinum trên... dụng quan trọng của cellulose vi khuẩn trong ngành công nghệ bao bì những năm gần đây Một sản phẩm thực phẩm được biết đến khá nhiều mà bản chất là cellulose vi khuẩn đó là thạch dừa ( Nata de coco) Nata de coco là một chất màng màu trắng hoặc màu vàng kem được tổng hợp trong quá trình lên men của A Xylinum trên bề mặt của 27 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose môi trường... nghiên cứu “Biocellulose” Tính chất của polymer hiệu dụng có nguồn gốc vi sinh vật cũng đang được xem xét 28 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Celullose vi khuẩn hiện được mong đợi là vật liệu hóa sinh mới với những ứng dụng thú vị và đang tiếp nghiên cứu, phát triển sản xuất hàng loạt Bảng ứng dụng cellulose vi khuẩn trong nhiều lĩnh vực khác nhau Lĩnh vực Sản phẩm Thực... tổng hợp cellulose 20 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Bước cuối cùng là loại đi các huyền phù từ thiết bị phản ứng và say đó tách các tế bào vi sinh vật ra khỏi sản phẩm (Serafica et al., 1998) d Gengiflex®, Biofill® và BASYC® Chủng A xylinum thích hợp được đưa vào một thiết bị, trong đó tạo điều kiện tối ưu cho chúng phát triển Các điều kiện tối ưu cho sự sản xuất cellulose. .. 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 et al., 2000) 13 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose 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 . Bacterial Cellulose nhóm em đã tiến hành tìm hiểu về công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose trong cuốn tiểu luận này. 4 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Công nghệ. 2005120337 2 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Mục Lục 3 Ứng dụng CNSH trong CNTP Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Lời Mở Đầu Cellulose là một hợp chất hóa học. Bộ Công Thương TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Môn Học: Ứng Dụng CNSH trong CNTP ĐỀ TÀI: Công nghệ sản xuất Bacterial Cellulose Giảng