Đề tài công nghệ sản xuất dextran

Đề tài công nghệ sản xuất dextran

Đề tài công nghệ sản xuất dextran -Trang 1- MỤC LỤC I. GIỚI THIỆU CHUNG Trang 1. Giới thiệu chung về dextran 2 2. Ứng dụng dextran 6 II. NGUYÊN LIỆU 1. Mía 7 2. Vi sinh vật 9 III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DEXTRAN A. Sơ đồ khối 10 B. Giải thích quy trình công nghệ: 12 IV. SẢN PHẨM 1. Tính chất dextran:. 42 2. Chỉ tiêu chất lương sản phẩm: 42 V. BÀI BÁO KHOA HỌC VÀ THÀNH TỰU CÔNG NGHÊ 1. Các nghiên cứu khoa học: 44 2. Lên men dextran từ dịch chiết carob và đường lactose: 45 3. phương pháp sản xuất dextran mới: 48 VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 50 Đề tài công nghệ sản xuất dextran -Trang 2- I. GIỚI THIỆU CHUNG: 1. Giới thiệu chung về dextran: a. Định nghĩa dextran: Dextran là một polymer sinh học, phần lớn được tổng hợp từ các vi khuẩn Lactic, có các monomer là các gốc glucose liên kết với nhau nhờ liên kết 1,6-glucoside. Những vi sinh vật khác nhau thường tạo nên những dextran khác nhau về trọng lượng phân tử, về sự phân bố nhánh trong cấu trúc phân tử. Cấu trúc này còn phụ thuộc vào điều kiện nuôi cấy những vi sinh vật sản sinh ra dextran. Các polysaccharide kiểu dextran không bắt màu với iod, phân tử lượng của chúng rất lớn và không cố định, dao động trong một phạm vi rộng, từ 1000 – 2.000.000 Da. Dextran chỉ được tổng hợp từ saccharose, không thể tổng hợp từ glucose hay bất kỳ các loại đường nào khác. Các loại đường khác trong môi trường lên men chỉ đóng vai trò như nguồn cung cấp cacbon cho vi khuẩn phát triển. b. Công thức cấu tạo: Dextran là một loại polysaccharide tương tự như amylopectin, nhưng mạch chính được hình thành bởi liên kết α-1,6 glucoside và các nhánh bên được gắn với nhau bởi liên kết α-1,3 hoặc α-1,4 glucoside . Hình 1: Công thức cấu tạo Dextran c. Cơ chế hình thành: Đa số các polysaccharide ngoại bào từ vi sinh vật đều là sản phẩm của sự chuyển hóa nội bào cơ chất thành các sản phẩm trung gian, và cuối cùng thành polymer. Dextran khác các polysaccharide này, cơ chất không thâm nhập vào tế bào vi sinh vật mà nó được Đề tài công nghệ sản xuất dextran -Trang 3- chuyển hóa bên ngoài tế bào thành α-D-glucan phân nhánh, tức là dextran. Chỉ có saccharose được dùng làm cơ chất cho phản ứng này. Như vậy, polysaccharide có thể được sản xuất bởi các tế bào nguyên vẹn trong môi trường nuôi hoặc có thể được tạo ra từ các chế phẩm phi tế bào chứa phức hệ enzyme dextransaccharase (α -1,6-glucan : D-fructose 2-glucosyltransferase). Enzyme này giải phóng fructose và chuyển gốc glucose lên một phân tử chất nhận cũng đã được liên kết với enzyme : (1,6- α -D-glucosyl) n + saccharose  (1,6- α -D-glucosyl) n+1 + fructose Đề tài công nghệ sản xuất dextran -Trang 4- Hình 2: Cơ chế hoạt động của enzym dextransaccharase. X1,X2,X là ký hiệu thay thế cho enzym hoạt động. Enzym giải phóng fructose ra khỏi saccharose và kết hợp tạo phức với gốc glucose. Sau đó nhóm C-6 OH của một gốc phức khác kết hợp với C-1 và giải phóng X, kết quả là hai gốc glocose liên kết lại với nhau bởi liên kết α-1,6-glucoside. Trong quá trình polymer hóa chuỗi dextran đang dài ra vẫn liên kết chặt chẽ với enzyme, mức độ polymer hoá tăng cho đến khi phân tử chất nhận (trong trường hợp đơn giản nhất là một phân tử cơ chất) giải phóng chuỗi polymer khỏi enzyme. Năng lượng tự do của lên kết glucoside trong phân tử disaccharide nằm vào khoảng 23 kJ trong khi năng lượng tự do của liên kết glucoside bên trong dextran thấp hơn một chút (12-17 kJ). Do vậy phản ứng diễn ra theo chiều từ trái sang phải đi kèm với một sự giảm năng lượng tự do. Fructose có thể chuyển thành acid lactic, acid acetic, ethanol. Đáng lưu ý là trong chuỗi phản ứng còn có sự xuất hiện của một chất cho H + trong phản ứng giải phóng fructose và nhận H + trong phản ứng liên kết hai gốc glucoside lại với nhau. Đó là hai nhóm imidazolium(C 3 H 4 N 2 ) của histidine rất cần thiết cho quá trình tổng hợp dextran. Đề tài công nghệ sản xuất dextran -Trang 5- Các loại đường khác ngoài saccharose (như là maltose) tham gia phản ứng tạo thành các oligosaccharide thay vì các dextran cao phân tử. Các gốc glucosyl còn sót lại trong quá trình tổng hợp dextran được chuyển thành các gốc tự do đóng vai trò như là chất nhận có ảnh hưởng lớn đến phản ứng. Trong tất cả các chất nhận thì maltose và isomaltose được xem là có ảnh hưởng lớn nhất đến phản ứng. Các chất nhận này tương tác cùng hoá trị với phức enzym-glucosyl hoặc enzym-dextranosyl để giải phóng glucose hay mạch dextran ra khỏi enzym hoạt động, đồng thời tạo liên kết với glucose hay dextran ngay tại vị trí của enzym. Hình 3: Cơ chế ngưng phản ứng tổng hợp dextran của chất nhận Các thành viên thấp nhất của các oligosaccharide không phải là các phân tử chất nhận có hiệu quả, ái lực đối với enzyme tăng dần theo độ dài chuỗi. Tuy nhiên, sự hạn chế về độ khuếch tán cũng tăng theo trọng lượng phân tử. Dựa vào cơ chế này người ta có thể khống chế được độ dài mạch dextran trong quá trình sản xuất bằng cách điều khiển sự thuỷ phân dextran để tạo các chất nhận. Đề tài công nghệ sản xuất dextran -Trang 6- Khi chất nhận là dextran cao phân tử, C-3 của dextran làm chất nhận kết hợp với C-1 của phức glucosyl-enzyme hoặc dextranosyl-enzyme để giải phóng glucose hay dextran và hình thành một liên kết nhánh giữa dextran chất nhận và glucose hay dextran giải phóng tại vị trí của enzyme. Hình 4: Cơ chế ngưng phản ứng tổng hợp dextran của chất nhận Phản ứng này đã tạo thành liên kết nhánh cho mạch dextran, dạng α(1,3)-glucosyl. Ngoài ra vẫn có liên kết nhánh dạng α(1,2)-glucosyl nhưng rất ít gặp trong cấu trúc dextran. 2. Ứng dụng: Dextran đươc biết đến từ thế kỷ mười chín, nó được tìm thấy trong khối cầu đặc trong suốt quá trình sản xuất đường mía và đường củ cải. Dextran có nhiều ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, y dược, hóa công nghiệp chẳng hạn như tá dược, chất nhũ hóa, chất mang, chất ổn định. Liên kết ngang trong dextran chẳng hạn như sephadex được sử dụng rông rãi trong phân riêng, sắc ký lọc gel và tinh sạch rất nhiều sản phẩm khác nhau như protein trong nghiên cứu và công nghiệp. Trong công nghệ thực phẩm: Dextran được sử dụng nhiều tuy nhiên phạm vi ứng dụng của nó rất hẹp. Dextran được sử dụng trong sản xuất sữa bột, yoghurt, nước xốt cà, mayonnaise, chất làm đặc mức đông và kem. Nó được sử dụng để ngăn chặn quá trình kết tinh đường, cải thiện khả năng hút ẩm, duy trì hương và hình dạng của thực phẩm. Đề tài công nghệ sản xuất dextran -Trang 7- Ngoài ra dextran còn được dùng để chế thành thức ăn kiêng đối với một số bệnh như đái tháo đường, làm chất đồng hóa, chất ổn định, chất tạo màng trong bảo quản và chế biến thực phẩm. Trong y học và thú y: dextran có phân tử lượng khoảng 80000 được dùng làm chất thay thế huyết tương. Dextran được gắn với Fe thành phức dextran Fe làm thuốc trị bệnh thiếu máu và một số triệu chứng có liên quan dến suy dinh dưỡng, rối loạn tiêu hoá. Dextran còn được dùng chế tạo chỉ sinh học, băng dính sinh học dùng trong phẫu thuật. II. NGUYÊN LIỆU 1. Mía: Cây mía thường trồng ở khu vực nhiệt đới, chủ yếu là các nước đang phát triển. Thời điểm thu hoạch: Thu hoạch tốt nhất khi cây mía đạt độ chín công nghiệp, có hàm lượng đường đo được ở phần gốc và phần ngọn là gần tương đương và phải đảm bảo các chỉ tiêu: độ Brix >20%, độ Pol >19%, Rs<0,5%, AP>87%, ECS (chữ đường)>11. Nên thu hoạch các ruộng mía cần trồng mới lại trước các ruộng mía lưu gốc. Không thu hoạch mía trong các ngày rét đậm, trời mưa to, đất còn ẩm ướt. Thu mía theo đặc tính giống: giống chín sớm phải thu hoạch trước, giống chín muộn thu sau bằng cách chặt thủ công hoặc thu bằng máy. Thu đến đâu chuyển nhanh về nhà máy trong ngày. Bảng 1: Thành phần các chất dinh dưỡng trong mía Thành phần Tính theo trọng lượng mía(%) Tính theo nước mía hỗn hợp(%) Tính theo phần trăm chất khô(%) Saccharose 11.88 12.63 70-90 Đường khử 1.35 1.44 4-8 Protein 0.42 0.48 0.5-0.6 Acid tự do 0.13 0.14 3-7 Acid kết hợp 0.14 0.15 0.3-0.6 Chất keo 0.39 0.41 3-5 Chất tro 0.39 0.6 Nước 59.12 78.15 Đề tài công nghệ sản xuất dextran -Trang 8- Bảng 2: Thành phần khoáng trong nước mía: Thành phần Hàm lượng (%) SiO 2 0.25 K 2 O 0.12 Na 2 O 0.01 CaO 0.02 MgO 0.01 Fe 2 O 3 Vết P 2 O 5 0.07 SO 3 0.02 Cl Vết Trong đó thành phần quan trọng là Saccharose. Saccharose là một disaccharide do glucose và fructose liên kết với nhau theo liên kết 1,2-glucoside và có góc quay cực là +66.5 o H OH CH OH HOHC O OH OH OH OH H H H H H 2 CH OH 2 O O 2 C C 5 4 H H 6 1 2 3 1 2 3 4 5 6 SACCAROSE Saccharose dễ bị thuỷ phân nhờ enzym invertase hoặc acid tạo glucose và fructose theo tỉ lệ 1:1 được gọi là đường nghịch đảo. Ở thực phẩm có pH acid cũng thuận lợi cho sự nghịch đảo. Sự nghịch đảo đường làm tăng chất khô lên 5,26%, tăng nhẹ vị ngọt và nhất là tăng độ hoà tan của đường trong dung dịch. Sự tăng tính hoà tan của đường trong dung dịch là do tính hoà tan cao của fructose và tính khó kết tinh của glucose so với saccharose. Hình 5: Công thức cấu tạo saccharose Đề tài công nghệ sản xuất dextran -Trang 9- 2. Vi sinh vật a. Giống vi sinh vật: Vi sinh vật dùng để lên men dextran là các chủng thuộc Streptobacterium destranicum, Streptococcus mutans, Leuconostoc dextranicus, Leuconostoc mesenteroides, L.citrovorus… Trong môi trường chứa saccharose vi khuẩn tiết ra enzym dextran-saccharase (α-1,6-glucan: D-fructose 2-glucosyltransferase, khối lượng phân tử 170kDa) phân giải saccharose ngoại bào thành glucose và fructose đồng thời tổng hợp glucose thành dextran. Sản phẩm phụ thuộc cả vào chủng lẫn vào các điều kiện sử dụng cho sinh trưởng và tổng hợp polymer. Ở một số chủng, dextransaccharase nằm ở dạng hòa tan trong khi ở các chủng khác, nó liên kết một phần hay hầu như hoàn toàn với tế bào. Sản xuất dextran công nghiệp dùng Leuconostoc mesenteroides để tạo ra một polymer chứa khoảng 95% liên kết α-1,6 (phần còn lại là liên kết α -1,3) và một trọng lượng phân tử là 4-5 x 10 7 dalton. Hình 6: Vi khuẩn Leuconostoc mesenteroides Leuconostoc mesenteroides là cầu khuẩn gram âm, kích thước 1-1.5µm không có khả năng sản sinh catalase, ky khí hoặc vi hiếu khí, có khả năng lên men đường, không tổng hợp acid lactic từ D- và L-arabinose, D- và L-xylose, D- và L-ribose.  Trong quá trình nuôi cấy chúng được xếp thanh chuỗi. Trên môi trường rắn có chứa saccharose chúng mọc lên thành các khuẩn lạc và được phủ một lớp màng nhầy. Đề tài công nghệ sản xuất dextran -Trang 10-  Có giống tổng hợp được acid lactic từ đường lactose và có giống không tổng được acid lactic.  Nhiệt độ sống tối ưu là 30 o C, pH tối ưu là 7.0. Giống Leuconostoc mensenteroides có thể được phân lập từ các loại rau lên men như cải bắp, súp lơ, bí ngô, cà rốt, và khoai tây. Giống sau khi được phân lập sẽ được duy trì trong môi trường dinh dưỡng chứa saccharose ở 4 0 C. b. Yêu cầu chọn giống:  Khả năng sinh độc tố : không có .  Khả năng sinh tổng hợp sản phẩm chính: sản lượng dextran tạo thành là lớn nhất.  Khả năng thích nghi và tốc độ sinh trưởng: dễ nuôi cấy, thích nghi tốt với môi trường, tốc độ sinh sản nhanh.  Điều kiện nuôi cấy: môi trường nuôi cấy dễ kiếm, rẻ tiền.  Yêu cầu khác : Dextran tạo thành bởi giống vi sinh vật phải dễ dàng lọc và kết lắng tốt . III. QUY TRÌNH SẢN XUẤT DEXTRAN: A. Sơ đồ khối [...].. .Đề tài công nghệ sản xuất dextran Mía Giống Leuconostoc mesenteroides Tách nước mía Lọc Bã mía Bã mía Nhân giống Chuẩn bị môi trường Rửa Thanh trùng Lên men Mầm dextran Ethanol Kết tủa lần một Ly tâm VSV và than họat tính Chưng cất Lọc Thu hồi ethanol Tái kết tủa Ethanol Hòa tan trong nước Sấy phun Dextran -Trang 11- Đề tài công nghệ sản xuất dextran B Giải thích quy trình công nghệ : 1 Tách... tuỳ giống -Trang 29- Đề tài công nghệ sản xuất dextran L.mesenteroides Đây cũng là điểm đặc biệt của enzym này và là đặc điểm quan trọng cần chú ý trong quy trình công nghệ sản xuất dextran cũng như enzym dextransaccharase Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến nhiều yếu tố trong quá trình lên men: Sản lượng dextran, tốc độ tạo thành, cấu trúc và khối lượng phân tử của dextran Sự tổng hợp dextran cao phân tử... chứa dextran, ta tháo sản phẩm ra và cho cho ethanol lạnh vào để tiến hành quá trình kết tủa sơ bộ dextran Biến đổi: - Hóa lý: Sự kết tủa và tách pha của dextran - Hóa học: Hàm lượng dextran hòa tan trong dung dịch giảm - Vi sinh: Vi sinh vật bị tiêu diệt hoặc ức chế Thiết bị: Bình khuấy -Trang 33- Đề tài công nghệ sản xuất dextran 9 Ly tâm : Mục đích: Khai thác Biến đổi: - Hóa học: Hàm lượng ẩm khối dextran. .. 15- Đề tài công nghệ sản xuất dextran Máy ép dập hai trục: Giá máy có đọ nghiêng từ 60-75o sao cho máy vào mía làm với đường nối giữa hai tâm trục một góc 75odể mía vào máy và nước tháo ra dễ dàng Mia Hình 12: Máy ép mía 2 trục Máy ép dập ba trục: Máy gồm ba trục, lắp trên một giá máy, thực hiện hai lần ép Cấu tạo giống như máy ép hai trục Hình 13: Vị trí lắp tấm dẫn mía -Trang 16- Đề tài công nghệ sản. .. giá trị nhớt cực đại cao (dextran A trong bảng sau) Nếu sử dụng thời gian cấy truyền là 36 tới 48 giờ (như đối với dextran D và B) thì giá trị độ nhớt cực đại sẽ thấp hơn Bảng 4: Dữ liệu về các loại dextran thu đươc từ các môi trường nghiên cứu Dextran Độ nhớt Tính chất của dextran tinh khiết tuyệt đối Hàm lượng N (%) -Trang 26- P (%) Độ nhớt tương [α] Đề tài công nghệ sản xuất dextran của môi (%) đối... biệt Việc tháo sản phẩm sau ly tâm được thực hiện khi một lượng đáng kể các phần tử rắn lắng xuống trong môi trường ly tâm -Trang 34- Đề tài công nghệ sản xuất dextran Hình 19: Sơ đồ hoạt động thiết bị ly tâm Thông số công nghệ : Quá trình này được thực hiện liên tục với vận tốc li tâm 10000rpm, ở 4oC trong 15 phút ta sẽ thu được dextran có chất lượng tương đối tốt 10 Lọc và thuỷ phân dextran: Mục đích:... thời gian ở 30oC Trong thực tế nhiệt độ lên men khoảng 25oC, dextran thu được sau 24-48h Khi nhiệt độ vượt quá 35oC thì sản lượng dextran còn thấp hơn cả ở 25oC do enzym không bền ở nhiệt độ trên 32oC Biểu đồ 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt tính dextransaccharose của giống L.mesenteroides NRRL B-512F -Trang 30- Đề tài công nghệ sản xuất dextran Nhiệt độ còn ảnh hưởng tới tốc độ phát triển của L.mesenteroides,... khuấy đều Dung dịch đươc lọc bằng thiết bị lọc Berkefeld và sau đó dextran sẽ được kết lắng -Trang 35- Đề tài công nghệ sản xuất dextran Thiết bị: Thiết bị lọc Hình 20:Thiết bị lọc ở áp suất thường 11 Tái kết tủa làm sạch: Mục đích: Hoàn thiện Biến đổi: tương tự như kết tủa lần một Phương pháp thực hiện: Sau khi lọc và thuỷ phân dextran đạt được kích thước theo yêu cầu sử dụng, ta tái kết tủa dextran. .. ảnh hưởng tới sinh khối của vi khuẩn nhưng ảnh hưởng đến lượng dextransaccharase tạo thành và hoạt tính của enzym trong quá trình lên men Sau đây là sơ đồ cho thấy ảnh hưởng của CaCl2 với lượng dùng là 0.05% lên sự tạo thành dextransaccharase -Trang 22- Đề tài công nghệ sản xuất dextran Biểu đồ 1: Ảnh hưởng của CaCl2 đến sự tạo thành enzym dextransaccharase K2HPO4 đóng vai trò như nguồn dinh dưỡng, tuy... đến cấu trúc của dextran K2HPO4 0.2% -Trang 21- Đề tài công nghệ sản xuất dextran MgSO4 0.02% MnSO4 0.001% FeSO4 0.001% NaCl 0.001% CaCl2 0.005% Bổ sung các chất dinh dưỡng khác: Dịch chiết nấm men 0.5% Peptone 0.5% Và một số các chất vi lượng khác: Histidin, Thiamin, Biotin, acid panthothenic, acid nicotinic, amino acid valine, glutamic acid Ảnh hưởng của môi trường đến sản phẩm dextran tạo thành: