công nghệ lên men thực phẩm xanthan gum

GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN MỤC LỤC GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XANTHAN GUM 1.1 Khái niệm 1.2 Lịch sử đời 1.3 Cấu tạo tính chất 1.3.1 Cấu tạo 1.3.2 Tính chất 1.4 NGUYÊN LIỆU 2.1 Vi sinh vật 2.1.1 Phân loại 2.1.2 Đặc điểm hình thái 10 2.1.3 Tiêu chí chọn giống 10 2.2 Tình hình sử dụng số loại polysaccharide Môi trường lên men 11 2.2.1 Nguồn Carbon 11 2.2.2 Nguồn Nito 11 2.2.3 Nguồn khoáng yếu tố sinh trưởng 12 2.3 Nước 13 2.4 Muối công nghiệp cồn tinh luyện 14 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XANTHAN GUM 15 3.1 Nhân giống 17 3.2 Chuẩn bị môi trường lên men 18 3.3 Lên men 20 3.4 Thanh trùng 24 3.5 Tách vi sinh vật 26 3.6 Kết tủa 27 3.7 Tách nước 28 3.8 Sấy 29 3.9 Nghiền 30 3.10 Đóng gói 32 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM XANTHAN GUM 32 4.1 Chỉ tiêu vật lý 32 4.2 Chỉ tiêu hóa lý 32 4.3 Chỉ tiêu vi sinh 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc đơn vị xanthan gum Hình 1.2: Cấu tạo xanthan gum Hình 2.1 Vi khuẩn Xanthomonas campestris Hình 2.2 Cải bắp nhiễm vi khuẩn Xanthomonas campestris Hình 3.1 Sơ đồ qui trình công nghệ sản xuất xanthan 16 Hình 3.2 Thiết bị nhân giống 18 Hình 3.3 Thiết bị khuấy trộn 19 Hình 3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng mỏng 19 Hình 3.5 Chu trình đường phân 20 Hình 3.6 Chu trình Tricarbonxylic 21 Hình 3.7 Sự sinh tổng hợp xanthan 22 Hình 3.8 Thiết bị lên men dạng xilanh 23 Hình 3.10 Thiết bị li tâm 26 Hình 3.11 Thiết bị kết tủa 28 Hình 3.12 Thiết bị ép trục vít 29 Hình 3.13 Thiết bị sấy xạ 30 Hình 3.14 Thiết bị nghiền búa 31 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần % D – glucose, D – mannose, D – Glucuronic acid, pyruvate, acetate polysaccharide số chủng vi khuẩn khác tạo Bảng 1.2: Tỷ suất tăng trung bình hàng năm polysaccharide thương mại chủ yếu: dự báo phân tích thị trường Mỹ Bảng 2.1 Chỉ tiêu chất lượng cồn 14 Bảng 2.2 Chỉ tiêu chất lượng muối 14 GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XANTHAN GUM 1.1 Khái niệm Xanthan gum polysaccharide sử dụng phụ gia thực phẩm chất điều chỉnh lưu biến Là sản phẩm lên men glucose saccharose vi khuẩn Xanthomonas campestris Xanthomonas campestris loại vi khuẩn gây bệnh mục đen cải, hoa lơ loại rau mỏng khác 1.2 Lịch sử đời Cách lâu, người tìm hiểu loài Xanthomonas sản xuất khối sền sệt Cuối năm 1950, xanthan phát minh Northern Reaseach Center (NRRC), Peoria, Illinois Bà Allene Rosalind Jeanes cộng bà Viện Nông Nghiệp Hoa Kỳ (United States Department of Agriculture) tổ chức kiểm tra loài vi sinh vật có khả sản xuất loại gum tan nước, số đó, xanthan polysaccharide tổng hợp phương pháp sinh học mà có tiềm ứng dụng lớn so với loại gum tan nước sản xuất phương pháp tự nhiên Đầu năm 1960, xanthan trở thành sản phẩm thương mại công ty Kelco với tên thương mại Kelzan (theo Whistler) không thích hợp cho thương mại đến năm 1964 Năm 1969, xanthan tổ chức FDA (the American Food and Drug Administration) cho phép sử dụng làm phụ gia thực phẩm sau nghiên cứu thử nghiệm động vật Nó phép sử dụng nước: Hoa Kỳ, Canada, Châu Âu (1982) Số kí hiệu E415 Các công ty sản xuất xanthan tiếng: Merck, Pfizer Kelco Mĩ, Rhône Poulenc Sanofi-Elf Pháp, Jungbunzlauer Úc 1.3 Cấu tạo tính chất 1.3.1 Cấu tạo 1.3.1.1 Cấu tạo phân tử Xanthan bao gồm cụm gốc đường lặp lại, cụm gồm gốc đường D - glucose, gốc đường D - mannose, gốc đường D - glucoronate gốc acetate, pyruvate với số lượng thay đổi Mỗi cụm đơn vị mạch chuỗi polysaccharide bao gồm gốc ß D - glucose, liên kết với liên kết ß - 1, glycoside Yếu tố giống với cấu trúc cellulose GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN Mạch nhánh gồm gốc glucoronate nằm liên kết với gốc mannose Vị trí thứ gốc D-glucoronate liên kết với vị trí thứ hai gốc D - mannose, vị trí thứ tư gốc D-glucoronate liên kết với vị trí thứ gốc mannose khác Mạch nhánh liên kết với mạch vị trí thứ gốc cellulose mạch vị trí thứ gốc mannose mạch nhánh Khoảng nửa số gốc mannose cuối có nhóm acid pyruvic liên kết nhóm ketal tạo vòng vị trí - gốc mannose Gốc mannose lại liên kết với acetyl vị trí thứ Xanthan gum chứa ion dương hóa trị Na, K Mạch nhánh mạch thẳng xoắn chặt với tạo thành hình dạng bền chặt Hình 1.1: Cấu trúc đơn vị xanthan gum 1.3.1.2 Khối lượng phân tử Khối lượng phân tử từ 0.9 triệu đến 1.6 triệu Dalton, phụ thuộc vào nguồn VSV điều kiện thực trình lên men Đôi khối lượng phân tử xanthan lên đến 13 – 50 triệu Dalton GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN Hình 1.2: Cấu tạo xanthan gum 1.3.1.3 Trạng thái phân tử Xanthan phân tử sinh học xoắn đôi không đối xứng Mạch nhánh mạch thẳng xoắn chặt với tạo thành hình dạng bền chặt Các phân tử co lại hình xoắn ốc kép hình thành nên cấu trúc đặc quánh, gặp số điều kiện bị duỗi mạch làm thay đổi tính chất Mạch mạch bên bảo vệ nên làm cho xanthan tương đối bền với acid, kiềm enzyme 1.3.1.4 Thành phần cấu tạo Acid pyruvic thành phần quan trọng tác động đến khả hòa tan nước polymer Thành phần acid pyruvic xanthan khác phụ thuộc vào chủng Xanthomonas campestris (có chủng sản xuất hàm lượng acid pyruvic cao, có chủng lại sản xuất với hàm lượng thấp), điều kiện lên men điều kiện thu hồi sản phẩm Bảng 1.1: Thành phần % D – glucose, D – mannose, D – Glucuronic acid, pyruvate, acetate polysaccharide số chủng vi khuẩn khác tạo Vi khuẩn X.campestris X.vasculorum D D D – Glucose Mannose Glucuronic Acid 30,1 27,3 14,9 34,9 30,2 17,9 Pyruvate Acetate 7,1 6,6 6,5 6,3 X.faseoli X.juglandis X.gummisudans 30,9 33,2 34,8 28,6 30,2 30,7 15,3 16,8 16,5 1,8 6,9 4,7 6,4 6,4 10 X.fragaria 24,6 26,1 14 4,9 5,5 GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 1.3.2 Tính chất 1.3.2.1 Tạo dung dịch có độ nhớt Khi hòa tan nước, bị hydrate hóa 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 đo 60 v/ph với thiết bị đo độ nhớt Brookfield model LVF 250C Ảnh hưởng muối: độ nhớt không bị ảnh hưởng thêm lượng lớn muối, 250 g/l dung dịch NaCl làm tăng không đáng kể độ nhớt dung dịch xanthan 1.3.2.2 Tính tương hợp xanthan Với alcohol Tuy xanthan không hòa tan trực tiếp alcohol lại có khả tương thích với Những sản phẩm có chứa xanthan công thức thành phần thường chiếm đến 60% dung môi alcohol ethanol Ta sử dụng tính chất để làm cho cocktail, rượu có mùi chocolate trở nên đặc Với loại enzyme Hầu hết dung dịch keo bị thoái hóa giới hạn bới enzyme có mặt thực phẩm cellulase, pectinase, amylase, protease Tuy nhiên, xanthan không bị thoái hóa bới chúng Khả kháng lại tác động enzyme xắp xếp nhánh nhánh phụ, xắp xếp chống lại tác động enzyme lên liên kết 1,4 nhánh Nhờ mà ngăn cản ngưng trùng hợp enzyme, acid kiềm Ứng dụng thực tế, khả xanthan chống lại tác động enzyme sử dụng số sản phẩm thực phẩm bánh mứt táo, thực phẩm có chứa tinh bột, gia vị trộn… 1.3.2.3 Gel thuận nghịch nhiệt độ Gel tạo thành làm nguội hỗn hợp Xanthan gum trạng thái keo thực chuyển đổi cấu hình xoắn ốc đôi thành chuỗi đơn cách luyện nhiệt độ 40 - 800C Ở cấu hình chuỗi đơn, mạng lưới liên kết yếu đi, hình thành nên trạng thái giả dẻo (pseudoplastic) làm giảm độ nhớt dung dịch Xanthan gum có khả kết hợp với nhiều chất tạo gel, tạo sệt khác locust bean gum, konjac, guar gum GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 1.3.2.4 Khả hydrate hóa Sự diện chuỗi tích điện âm phân tử xanthan gum làm tăng khả hydrate hóa tạo nên dung dịch xanthan nước lạnh Xanthan gum chất háo nước, tan nước nóng nước lạnh Điều kiện lạnh đông/rã đông: nhờ khả liên kết với nước nên dung dịch xanthan gum bền lạnh đông rã đông 1.4 Tình hình sử dụng số loại polysaccharide Có nhiều loại polysaccharide sinh tổng hợp vi sinh vật alginate, curlane, dextran, gellan, glucan, pullulan xanthan Trong số loại xanthan có vai trò vượt trội dễ dàng sản xuất ứng dụng nhiều Thực vậy, dần sử dụng nhiều thực phẩm việc tạo chất độn cho mỹ phẩm Trong công nghiệp polysaccharide xanthan đại diện phát triển nhanh Đối với ngành thực phẩm, nhu cầu gum tự nhiên có xu hướng giảm xuống, xanthan lại có xu hướng tăng lên Khoảng 20.000 xanthan sản xuất theo phương pháp công nghiệp từ giống vi khuẩn X campestris năm Nhu cầu tiêu thụ xanthan toàn giới khoảng 23 triệu kg/ năm dự đoán tiếp tục tăng lên 5-10% theo năm Bảng 1.2: Tỷ suất tăng trung bình hàng năm polysaccharide thương mại chủ yếu: dự báo phân tích thị trường Mỹ GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN NGUYÊN LIỆU 2.1 Vi sinh vật Xanthan sản xuất từ vi khuẩn Xanthomonas campestris cô lập từ cải bắp, loại vi khuẩn gây bệnh nấm làm cho có màu đen 2.1.1 Phân loại Vi khuẩn Xanthomonas campestris: Giới: Ngành: Proteobacteria Bộ: Gamma Proteobacteria Họ: Xanthomonadaceae Giống: Xanthomonas Hình 2.1 Vi khuẩn Xanthomonas campestris Hình 2.2 Cải bắp nhiễm vi khuẩn Xanthomonas campestris GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 2.1.2 Đặc điểm hình thái Vi khuẩn Xanthomonas campestris có dạng hình que đơn, thẳng Rộng 0.4 – 0.7µm, dài 0.7 – 1.8 µm Vi khuẩn Gram âm Có khả di động nhờ tiên mao mọc cực Là loại vi khuẩn dị dưỡng, hiếu khí bắt buộc Không có khả khử nitơ, phản ứng catalase dương tính, oxidase âm tính Phát triển môi trường dinh dưỡng agar, bị ức chế bới 0,1% triphenyltetrazolium chloride Phần lớn chúng sống theo cặp X campestris làm thành đám mucoid màu vàng, trơn nhẵn sống môi trường rắn, tế bào bao quanh xanthan gum (polysaccharide ngoại bào) Công thức hóa học sắc tố vàng xác định mono dibromoaryl polyene Tính không ổn định thuộc di truyền vi khuẩn X campestris ảnh hưởng đến chất lượng số lượng xanthan xuất nuôi cấy Sự đột biến gene có liên quan đến việc hình thành dạng khác nhau: L (large) S (small) VS (very small) Trong dạng L sản xuất lượng lớn xanthan với chất lượng thấp mong muốn dạng S lại cho lượng sản phẩm chất lượng Còn VS không tổng hợp xanthan Những chức xanthan chưa nhận biết đầy đủ, có chứng chắn có lớp polysaccharide xung quanh màng tế bào, bảo vệ tế bào tránh khỏi tác động môi trường xung quanh Ví dụ khả giữ nước xanthan, cung cấp lớp màng bảo vệ điều kiện môi trường hanh khô 2.1.3 Tiêu chí chọn giống Giống vi khuẩn sử dụng phải đạt chuẩn mực định phép sử dụng Các yếu tố giống vi khuẩn sử dụng lên men thu nhận xanthan gồm: Giống vi khuẩn phải có khả sinh tổng hợp xanthan mạnh, sản phẩm có chất lượng số lượng cao hẳn sản phẩm phụ khác trình trao đổi chất chúng Giống phải có khả sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm Giống vi khuẩn có tính thích nghi cao, đặc biệt phải thích nghi với điều kiện sản xuất công nghiệp, có ổn định vệ nhiệt độ, pH,… Giống phải có tốc độ sinh sản phát triển mạnh điều kiện môi trường công nghiệp Tính chất quan trọng nhiễm vi sinh vật lạ giống dùng sản xuất phải có khả át chế phát triển vi sinh vật lạ 10 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN tục để tạo hỗn hợp đồng Tốc độ cánh khuẩy tương đối lớn, tạo chuyển động tròn quanh trục chuyển động theo phương thẳng đứng mạnh Do đó, để hạn chế tượng tạo xoáy, cần lắp thêm chặn thành thùng Các có tác dụng tăng hiệu khuấy trộn Hình 3.3 Thiết bị khuấy trộn - Thiết bị trùng: sử dụng thiết bị trùng mỏng Hình 3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng mỏng Bộ phận thiết bị bảng hình chữ nhật mỏng, làm thép không rỉ Mỗi bảng có lỗ góc hệ thống đường rãnh khắp bề mặt để tạo chảy rối tăng diện tích truyền nhiệt Khi ghép bảng mỏng lại với khung thiết bị hình thành nên hệ thống đường vào cho chất lỏng cần trùng chất tải nhiệt 19 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Thông số công nghệ:  Nhiệt độ trùng 70 – 750C  Thời gian trùng: 20 phút Sau trình trùng, môi trường đưa nhiệt độ 25 -300C để tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn trình lên men 3.3 Lên men Mục đích: khai thác Quá trình lên men trình định tạo thu nhận xanthan Biến đổi: - - - Sinh học: biến đổi quan trọng trình lên men trao đổi chất sinh trưởng vi sinh vật, tương tự trình nhân giống xảy mạnh mẽ Hóa lý: xảy tương tự trình nhân giống Vật lý: trình lên men, số tiêu canh trưởng thay đổi độ nhớt, tỷ trọng,… Cần ý gia tăng nhiệt độ mức làm giảm hoạt tính trao đổi chất vi khuẩn Hóa sinh: Quá trình lên men sản sinh xanthan vi khuẩn Xanthomonas campestris trình lên men hiếu khí Quá trình chuyển hóa đường glucose thành xanthan trình bày theo giai đoạn sau:  Quá trình đường phân giai đoạn phân hủy phân tử glucose tạo acid pyruvic NADH2 Được chia làm giai đoạn:  Giai đoạn đầu phân cắt đường glucose thành phân tử đường 3C: AIPG PDA  Giai đoạn biến đổi đường 3C thành acid pyruvic  Sơ đồ: Hình 3.5 Chu trình đường phân 20 GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN   Chu trình Tricarboxylic xảy chất ty thể nhờ xúc tác nhiều hệ enzyme Bản chất phản ứng xảy chu trình chủ yếu decacboxyl hóa dehydro hóa axit pyruvic Chu trình gồm phần:  Phân hủy acid pyruvic tạo CO2 coenzime khử  Các coenzime khử thực chuỗi hô hấp để tạo H2O tổng hợp ATP Hình 3.6 Chu trình Tricarbonxylic Chu trình tổng hợp Xanthan Tương tự thực vật bậc cao, vi sinh vật có khả tổng hợp oligosaccharide polysaccharide Lượng oligosaccharide polysaccharide nội bào chiếm đến 60% khối lượng khô tế bào, polysaccharide ngoại bào vượt nhiều lần khối lượng tế bào Tất oligosaccharide polysaccharide tổng hợp cách kéo dài chuỗi saccharide có trước nhờ việc thêm đơn vị monosaccharide Bước trình sinh tổng hợp xanthan hấp thụ carbonhydrate Tiếp theo sau trình phosphoryl chất enzyme hexokinase để sử dụng adenosine 5’- triphosphat Sự sinh tổng hợp có liên quan đến chuyển đổi chất phosphoryl hoá thành loại nucleotide đường khác mà đòi hỏi cần phải có tham gia enzyme UDP-Glcpyrophosphorylase để kéo dài chuỗi polysaccharide Trong X campestris, chu trình Entner–Doudoroff với chu trình tricarboxylic acid chế chủ yếu cho dị hóa đường glucose Sự sinh tổng hợp xanthan, giống hầu hết loại vi khuẩn sản sinh polysaccharide, sử dụng nhiều nguồn carbonhydrate hoạt hóa khác để tổng hợp nên polymer Xanthan tổng hơp cách thêm monossacharide vào chuỗi oligosacharide từ đường nucleotide diphosphate tạo thành phân tử chất cho isoprenoid lipid Mạch xanthan hình thành từ 21 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN thêm vào D – glucose – - phosphate D - glucose từ phân tử UDP – D glucose Sau đó, D - mannose D - glucoronic acid thêm vào từ GDP mannose UDP - glucoronic acid Lần lượt, nhóm O-Acetyl vận chuyển từ acetyl - CoA đến phần mannose lại Hình 3.7 Sự sinh tổng hợp xanthan Cơ chế kết thúc tất vi khuẩn sản sinh polysacharide việc giải phóng polymer từ isoprenoid lipid trước vận chuyển đến trạm cuối Rõ ràng, trình đòi hỏi phải có nguồn lượng ta coi tương tự trình giải phóng lipopolysaccharide khỏi lớp màng bên ngoài, đây, chất cung cấp lượng ATP Thiết bị Xanthan sản phẩm thương mại, thực trình lên men tĩnh truyền thống thiết bị lên men Thiết bị có dạng hình trụ đứng làm thép 22 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN không rỉ Thiết bị có phận điều nhiệt nhờ lớp vỏ áo hệ thống đường dẫn xoắn đặt bên thân trụ Ngoài bên có phận sục khí, cành khuấy, hệ thống cảm biến để đo điều chỉnh nhiệt độ, pH lượng oxy hòa tan pha lỏng Việc điều khiển thông số nhiệt độ, pH thực chương trình phần mềm để xử lí thông tin từ cảm biến bơm điều khiển Dung dịch đệm phosphate dung dịch đệm khác NaOH, KOH bổ sung vào môi trường dinh dưỡng để trì pH ổn định canh trường khoảng Bình lên men trang bị hệ thống điều khiển vô trùng, khuấy, điều kiện hiếu khí, điều chỉnh nhiệt độ, pH, bọt, mức độ hòa tan oxy Hình 3.8 Thiết bị lên men dạng xilanh 23 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Thông số công nghệ:       Tốc độ sục khí: 0,2 – vvm, tối ưu: 0,5 – vvm Nhiệt độ lên men: 20 – 350C, tối ưu: 28– 300C Thời gian lên men: 96 h pH: 5,5 – 8, tối ưu: 6,4 – 7,4 Oxy hòa tan: nồng độ O2 hòa tan 10 – 30% nồng độ O2 bão hòa nhiệt độ tương ứng Tốc độ khuấy đảo: 200 – 500 rpm 3.4 Thanh trùng Mục đích: chuẩn bị Sau giai đoạn lên men, xanthan thu nhận qua trình xuôi dòng Canh trường sau lên men phải trùng nhằm mục đích tiêu diệt hết tế bào vi khuẩn Xanthomonas, chuẩn bị cho trình tách vi sinh vậ kết tủa xanthan Các biến đổi: - Vật lý: nhiệt độ canh trường tăng, số thông số vật lý tỷ trọng, độ nhớt,… thay đổi Sinh học: Vi khuẩn Xanthomonas bị ức chế tiêu diệt Xanthomonas nhạy cảm với nhiệt độ khả sinh bào tử nên cần trùng đủ Tuy nhiên cần ý tới điểm nhiệt độ chuyển tiếp Tm phá hủy chuỗi polymer Ở Tm vào khoảng 1000C, nhiên thay đổi theo chiều dài chuối polymer tỷ lệ lượng gốc pyruvate acetate 24 GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN - Thiết bị:Ta dùng thiết bị trùng cấu hình ống lồng ống Hình 3.9 Thiết bị trùng ống lồng ống Thiết bị gồm hai ống hình trụ đồng trục có đường kính khác đặt lồng vào Người ta lắp đặt hệ thống trục đỡ có gắn khuấy trục chung hai ống hình trụ Trong trình hoạt động, sản phẩm bơm vào ống hình trụ bên trong, tác nhân nhiệt vào khoảng không gian hai thân trụ Khi trục đỡ xoay, khuấy hoạt động giúp đảo trộn sản phẩm trình gia nhiệt Thông số công nghệ: - Nhiệt độ: 700C - Thời gian: 30 phút 3.5 Pha loãng Mục đích: chuẩn bị cho trình tách vi sinh vật Các biến đổi: có biến đổi xảy độ nhớt giảm 25 GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN Thiết bị: Thiết bị dạng hình trụ có cánh khuấy Sử dụng nước nóng để pha loãng Thông số công nghệ: 3.6 Tỷ lệ pha loãng: tùy vào độ nhớt cuối canh trường lên men Nhiệt độ nước pha loãng: 70-800C Độ nhớt dịch sau pha loãng: 100cP Tách vi sinh vật Mục đích: chuẩn bị cho trình kết tủa thu nhận xanthan Các biến đổi: - - Sinh học: canh trường thu sau lên men gồm: xanthan, tế bào vi khuẩn, chất sót hợp chất Quá trình ly tâm tách hầu hết tế bào vi khuẩn khỏi canh trường lên men Vật lý: tính chất vật lý độ nhớt, nhiệt độ,… canh trường thay đổi Thiết bị: Trước đưa qua thiết bị ly tâm, sản phẩm lên men cần pha loãng với nước vô trùng để giảm độ nhớt môi trường, giúp tăng hiệu suất tách tế bào khỏi dung dịch sản phẩm 26 GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN Hình 3.10 Thiết bị li tâm Sử dụng thiết bị ly tâm có chén xoay dạng côn Cấu tạo thiết bị bao gồm chén xoay dạng côn quay quanh trục thẳng đứng Tất đặt vỏ cố định Nguyên liệu vào đáy chén xoay Dưới tác dụng lực ly tâm, huyền phù mà tế bào vi khuẩn di chuyển thành chén xoay bám Phần dung dịch có chứa xanthan di chuyển lên phía chảy tràn vỏ Khi bã dày, thiết bị ngừng hoạt động, lớp bã tách dao hay tháo cửa xả đáy chén xoay Thông số công nghệ: - Gia tốc li tâm: 8000.g - Nhiệt độ dịch ban đầu: 70oC 3.7 Kết tủa Mục đích: Khai thác Sau trình lọc bỏ hết vi khuẩn canh trường sau lên men, xanthan thu nhận bẳng cách làm chậm trình hòa tan cho kết tủa cách thêm hợp chất hữu tan nước, acetone, alcohol, dioxane,… muối acid, tùy vào trường hợp cụ thể Ở nhóm sử dụng ethanol muối NaCl Các biến đổi: - Vật lý: dịch trở lên đục trình kết tủa tiến hành Hóa lý: kết tủa phân tử xanthan nhờ hình thành liên kết cation muối với gốc tích điện ẩm có canh trường Ngoài trình trích 27 GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN ly chất màu, xác vi khuẩn, số muối,… không tốt cho sản phẩm vào dung dịch cồn Thiết bị: Hình 3.11 Thiết bị kết tủa - - - Quá trình kết tủa diễn bồn chứa có cánh khuấy Muối ethanol bổ sung vào với tỷ lệ định so với nồng độ xanthan thể tích dịch thu sau ly tâm Cánh khuấy hoạt động suốt trình kết tủa để tăng hiệu khả tiếp xúc tác nhân gây kết tủa với xanthan để kết tủa xanthan thu lớn Kết thúc trình kết tủa, sợi polymer thu nhận dạng rắn ẩm phải hòa tan rửa lại nước hay dung dịch KCl để loại bỏ hết thành phần gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng sản phẩm mảnh vụn tế bào, microgel, vụn hữu cơ, chất màu,… lắng tách nước Phần nước tách sau thu nhận kết tủa đưa qua trình chưng cất để thu hồi ethanol, tái sử dụng cho đợt sản xuất sau Thống số công nghệ: - Thời gian kết tủa: - Độ ẩm kết tủa: 80% - Tỷ lệ phối trộn: 3.8 Tách nước Mục đích: chuẩn bị cho trình sấy Xanthan gum sau kết tủa có độ ẩm khoảng 80% khối lượng Tuy nhiên, để sấy thật khô khó khăn ảnh hưởng không mong muốn dung dịch xanthan gum dung dịch muối Do đó, cần phải tách nước khối kết tủa đến khoảng 50% ẩm để trính sấy phía sau hiệu 28 GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN Biến đổi: Biến đổi quan trọng huyền phù tách làm hai pha riêng biệt, pha rắn rắn ướt xanthan, pha lỏng dịch chứa cồn, muối,… Ngoài ra, thông số vật lý dịch độ nhớt, nhiệt độ, thay đổi tương đối Còn biến đổi sinh học hóa sinh Thiết bị: sử dụng thiết bị ly tâm đĩa Hình 3.12 Thiết bị li tâm đĩa Nguyên tắc hoạt động thiết bị: Sử dụng thiết bị ly tâm có chén xoay dạng côn Cấu tạo thiết bị bao gồm chén xoay dạng côn quay quanh trục thẳng đứng Tất đặt vỏ cố định Nguyên liệu vào đáy chén xoay Dưới tác dụng lực ly tâm, huyền phù mà kết tủa rắn ẩm xanthan di chuyển thành chén xoay bám Phần dung dịch gồm cồn, muối hợp chất trích ly trình kết tủa di chuyển lên phía chảy tràn vỏ Khi bã dày, thiết bị ngừng hoạt động, lớp bã tách dao hay tháo cửa xả đáy chén xoay Thông số công nghệ: - Gia tốc li tâm: Độ ẩm tủa rắn: 30 – 50% 29 GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 3.9 Sấy Mục đích: khai thác, hoàn thiện bảo quản Các biến đổi: - Vật lý: nhiệt độ tăng cao bán thành phẩm Hóa học: độ ẩm giảm, nhiệt độ cao phân hủy mạch polymer cấu trúc xanthan Hóa lý: biến đổi quan trọng chuyển pha từ lỏng sang nước Sinh học: vi sinh vật sót lại bị ức chế tiêu diệt tác dụng nhiệt trình sấy, hoạt độ nước giảm Thiết bị: Sử dụng thiết bị sấy xạ hoạt động liên tục dạng đường hầm (tunnel) Cấu tạo: Thiết bị có băng tải làm thép không rỉ để chứa mẫu nguyên liệu cần sấy Phía băng tải bố trí hay ống xạ Hình 3.13 Thiết bị sấy xạ Nguyên tắc hoạt động: Nguyên liệu nạp lên băng tải di chuyển liên tục theo chiều từ trái sang phải Dưới tác dụng xạ nhiệt tia, nước chuyển pha thành tách khỏi nguyên liệu Cường độ tia thời gian lưu định đến độ ẩm cuối sản phẩm Thông số công nghệ: - Thời gian lưu: Cường độ xạ: Độ ẩm cuối sản phẩm: – 15% 30 GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 3.10 Nghiền Mục đích: hoàn thiện Sau sấy khô, xanthan gum nghiền đến kích thước phù hợp nhằm điều khiển mức độ phân tán làm tăng khả hòa tan dung dịch Đồng thời tạo khối sản phẩm dễ dàng cho vận chuyển, lưu trữ sử dụng Các biến đổi: - Vật lý: kích thước nguyên liệu giảm, diện tích bề mặt riêng tăng lên Dưới tác dụng lực, nhiệt độ nguyên liệu nguyên liệu tăng lên Hóa lý: sau nghiền, tốc độ hút ẩm tăng lên, làm độ ẩm sản phẩm tăng, dẫn tới tình trạng nguyên liệu bị vón cục Thiết bị: thiết bị nghiền búa Cấu tạo: thiết bị nghiền búa bao gồm rotor quay với tốc độ cao gắn với vòng đai, vòng đai có gắn tay đập (búa) Mặt vỏ bao cấu tạo cấu tạo vật liệu dai cứng Ngoài vỏ trang bị sàng để giữ lại nguyên liệu chưa nghiền đến mức độ đạt yêu cầu Hình 3.14 Thiết bị nghiền búa Nguyên tắc hoạt động: Khi rotor quay, tay đập chuyển động đầu tay đập tạo thành vòng tròn, khoảng cách vòng tròn với vỏ bao nhỏ ( tùy thuộc vào kích thước nguyên liệu sản phẩm cuối cùng) Khi vận hành, nguyên liệu tay đập đưa đến khe hẹp đầu búa thành vỏ Dưới tác dụng lực va đập lực ma sát, nguyên liệu vỡ Phần nguyên liệu sau nghiền đạt yêu cuầ qua sàng phía để ngoài, chưa đạt kích thước giữ lại tiếp tục nghiền đến đạt kích thước tiêu chuẩn 31 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Thông số công nghệ: - Tốc độ quay - Kích thước khe hẹp - Kích thước đầu sản phẩm 3.11 Đóng gói Mục đích: bảo quản hoàn thiện Sản phẩm xanthan sản phẩm hút ẩm mạnh nên cần bao gói chúng bao bì có khả chống hút ẩm cao Các biến đổi: sản phẩm biến đổi trình Thiết bị: trình đóng gói tiến hành dây chuyền tự động CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM XANTHAN GUM 4.1 Chỉ tiêu vật lý - Trạng thái: dạng bột mịn, không vón cục - Màu sắc: màu kem 4.2 Chỉ tiêu hóa lý Theo QCVN -21: 2011/BYT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia phụ gia thực phẩm – chất làm dày Yêu cầu: - Định tính:  Độ tan: tan nước, không tan ethanol  Tạo gel: phải có phản ứng tạo gel đặc trưng - Độ tinh khiết:  Giảm khối lượng sấy khô: không 15% (nhiệt độ sấy 1050C 2.5 giờ)  Tro toàn phần: không 16% sau sấy  Acid pyruvic: không nhỏ 1.5%  Nitrogen: không 1.5%  Ethanol isopropanol: không 500mg/kg, dạng đơn chất hợp chất  Chì: không mg/kg 4.3 Chỉ tiêu vi sinh  Tổng số vi sinh vật: không 5000 CFU/g  E.Coli: âm tính mẫu thử  Salmonella: âm tính mẫu thử  Nấm men nấm mốc: không 500 CFU/g 32 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nout R.M.J et al, Food Fermentation, Wagemngen aceademic publicshers, 2005 [2] Nguyễn Lân Dũng, Vi Sinh Vật Học, NXB Giáo Dục, 2003 [3] V.S.Wadhai and A.N.Dixit, Production of xanthan gum by xanthomonas campestrisand comparative study of xanthomonas campestris isolates for the selection of potential xanthan producer, 2011 [4] Flores Candia J-L, Deckwer W-D Xanthan gum In: Flickinger MC, Drew SW, editors Encyclopedia of bioprocess technology: fermentation, biocatalysis, and bioseparation, vol New York: Wiley, 1999 pp 2695±711 [5] Rosalam S, England R Review of xanthan gum production from unmodified starches by Xanthomonas campestris sp Enzym Microbial Technol 2006 [6] Souw P, Demain AL Nutritional studies on xanthan production by Xanthomonas campestris NRRL-B-1459 Appl Environ Microbiol 1979;37:1186–1192 [7] Druzian JI, Pagliarini AP Xanthan gum production by fermentation from residue of apple juice Ciência e Tecnologia de Alimentos 2007 [8] Papagianni M, Psomas SK, Batsilas L, Paras SV, Kyriakidis DA, Liakopouloukyriakides M Xanthan production by Xanthomonas campestris in batch cultures Process Biochem 2001 33 [...]... Chuẩn bị môi trường Nhân giống Lên men Thanh trùng Pha loãng Tách tế bào VK Xác VK Kết tủa Tách nước Sấy Nghiền Bao bì Đóng bao bì Sản phẩm Hình 3.1 Sơ đồ qui trình công nghệ sản xuất xanthan 16 GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN 3.1 Nhân giống 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 là sinh khối(... và chất tải nhiệt 19 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Thông số công nghệ:  Nhiệt độ thanh trùng 70 – 750C  Thời gian thanh trùng: 20 phút Sau quá trình thanh trùng, môi trường được đưa về nhiệt độ 25 -300C để tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn trong quá trình lên men tiếp theo 3.3 Lên men Mục đích: khai thác Quá trình lên men là quá trình quyết định tạo ra và thu nhận xanthan Biến đổi: - -... chương trình phần mềm 17 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Hình 3.2 Thiết bị nhân giống Thông số công nghệ: - Nhiệt độ: tối ưu là 28 – 300C - pH trung tính là tối ưu cho sự phát triển của X campestris - Thời gian: 3.2 Chuẩn bị môi trường lên men Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men Môi trường được phối trộn theo một tỷ lệ nhất định đảm bảo nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn lên men Sau khi được phối... men dạng xilanh 23 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN Thông số công nghệ:       Tốc độ sục khí: 0,2 – 2 vvm, tối ưu: 0,5 – 1 vvm Nhiệt độ lên men: 20 – 350C, tối ưu: 28– 300C Thời gian lên men: 96 h pH: 5,5 – 8, tối ưu: 6,4 – 7,4 Oxy hòa tan: nồng độ O2 hòa tan 10 – 30% nồng độ O2 bão hòa ở nhiệt độ tương ứng Tốc độ khuấy đảo: 200 – 500 rpm 3.4 Thanh trùng Mục đích: chuẩn bị Sau giai đoạn lên. .. công nghệ: - Tốc độ quay - Kích thước khe hẹp - Kích thước đầu ra của sản phẩm 3.11 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 Các biến đổi: sản phẩm ít biến đổi trong quá trình này Thiết bị: quá trình đóng gói tiến hành trên dây chuyền tự động CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA SẢN PHẨM XANTHAN GUM. .. cuối cùng của canh trường lên men Nhiệt độ nước pha loãng: 70-800C Độ nhớt của dịch sau pha loãng: 100cP Tách vi sinh vật Mục đích: chuẩn bị cho quá trình kết tủa thu nhận xanthan Các biến đổi: - - Sinh học: canh trường thu được sau lên men gồm: xanthan, tế bào vi khuẩn, cơ chất sót và các hợp chất các Quá trình ly tâm sẽ tách hầu hết các tế bào vi khuẩn ra khỏi canh trường lên men Vật lý: các tính chất... phóng lipopolysaccharide ra khỏi những lớp màng bên ngoài, ở đây, chất cung cấp năng lượng sẽ là ATP Thiết bị Xanthan là sản phẩm thương mại, được thực hiện bằng quá trình lên men tĩnh truyền thống trong những thiết bị lên men Thiết bị có dạng hình trụ đứng và được làm bằng thép 22 XANTHAN GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN không rỉ Thiết bị có bộ phận điều nhiệt nhờ lớp vỏ áo và hệ thống đường dẫn xoắn đặt... đó Phần dung dịch có chứa xanthan di chuyển lên phía trên và chảy tràn ra ngoài vỏ Khi bã dày, thiết bị được ngừng hoạt động, lớp bã được tách bằng dao hay tháo ra ngoài bằng cửa xả đáy của chén xoay Thông số công nghệ: - Gia tốc li tâm: 8000.g - Nhiệt độ của dịch ban đầu: 70oC 3.7 Kết tủa Mục đích: Khai thác Sau quá trình lọc bỏ hết vi khuẩn của canh trường sau lên men, xanthan được thu nhận bẳng... dụng các ống nghiệm (cấp 1), bình tam giác hoặc erlen(cấp 2 và 3), bình nuôi cấy(cấp 4) Nhân giống ở phân xưởng: sử dụng các bình lên men cho môi trường lỏng Bình lên men dùng để nuôi cấy giống VSV có cấu tạo tương tự như những bình lên men dùng để nuôi cấy VSV thu nhận các sản phẩm trao đổi chất Thiết bị có dạng hình trụ đứng, bên trong có cánh khuấy và bộ phân sục khí Nhiệt độ canh trường trong quá trình... 0,4 g/l  Glucose: 20 g/l 2.2 Môi trường lên men 2.2.1 Nguồn Carbon Glucose và saccharose là hai nguồn carbon được sử dụng phổ biến để cung cấp cho vi khuẩn Xanthomonas campestris trong quá trình lên men thu nhận xathan Trong đó glucose là nguồn carbon vi khuẩn Xanthomonas campestris dễ sử dụng Tuy nhiên, ở nồng độ cao nó lại ảnh hưởng xấu tới quá trình lên men của vi khuẩn, theo các nghiên cứu thì ... PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN GIỚI THIỆU CHUNG VỀ XANTHAN GUM 1.1 Khái niệm Xanthan gum polysaccharide sử dụng phụ gia thực phẩm chất điều chỉnh lưu biến Là sản phẩm lên men glucose saccharose... điều kiện thực trình lên men Đôi khối lượng phân tử xanthan lên đến 13 – 50 triệu Dalton GVHD: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN XANTHAN Hình 1.2: Cấu tạo xanthan gum 1.3.1.3 Trạng thái phân tử Xanthan phân... lợi cho vi khuẩn trình lên men 3.3 Lên men Mục đích: khai thác Quá trình lên men trình định tạo thu nhận xanthan Biến đổi: - - - Sinh học: biến đổi quan trọng trình lên men trao đổi chất sinh