tiểu luận quy trình và thiết bị sản xuất xanthangum

Lời nói đầu Xanthan gum polysaccharide sinh tổng hợp từ vi sinh vật Có nhiều loại polysaccharide sinh tổng hợp vi sinh vật alginate, curlane, dextran, gellan, glucan, pullulan xanthan Trong số loại xanthan gum có vai trò vượt trội có tính định hướng, ứng dụng nhiều Đối với ngành thực phẩm, nhu cầu gum tự nhiên có xu hướng giảm xuống, xanthan lại có xu hướng tăng Để hiểu tính chất, ứng dụng chế tổng hợp nên xanthan gum nhóm chúng em xin tìm hiểu “Quy trình sản xuất thiết bị sản xanthan gum” Tuy nhiên tài liệu nước đề cập đến nội dung này, phần lớn nhóm chúng em truy cập tìm hiểu nhiều tài liệu nước Và với số lượng khổng lồ kiến thức biết nên việc lựa chọn kiến thức phù hợp không tránh khỏi thiếu sót Mong bạn lớp góp ý để nhóm chúng em ngày hồn thiện kỹ làm báo cáo tiểu luận môn học Giới thiệu chung 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 lồi 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 lồi 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 Mạch nhánh gồm gốc glucoronate nằm liên kết với gốc mannos e 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 cellulos e 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: 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 vi sinh vật điều kiện thực trình lên men Đơi khối lượng phân tử xanthan lên đến 13 – 50 triệu Dalton 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: Thành phần % D – glucose, D – mannose, D – Glucuronic acid, pyruvate, acetate polysaccharide số chủng vi khuẩn khác tạo Vi khuẩn D - D - D – Pyruvate Acetate Glucose Mannos Glucuronic e Acid X.campestris 30,1 27,3 14,9 7,1 6,5 X.vasculorum 34,9 30,2 17,9 6,6 6,3 X.faseoli 30,9 28,6 15,3 1,8 6,4 X.juglandis 33,2 30,2 16,8 6,9 6,4 X.gummisudans 34,8 30,7 16,5 4,7 10 X.fragaria 24,6 26,1 14 4,9 5,5 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, khơng 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 1.3.2.2 Tính tương hợp xanthan gum  Với ancohol Tuy xanthan khơng hòa tan trực tiếp alcohol lại có khả tương thích với Những sản phẩm có chứa xanthan cơng 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 enzyme Hầu hết dung dịch keo bị thối hóa giới hạn bới enzyme có mặt thực phẩm cellulase, pectinase, amylase, protease Tuy nhiên, xanthan khơng bị thối 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 đơi thành chuỗi đơn cách luyện nhiệt độ 40 - 80 0C 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 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 đơng 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 cơng 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 2: Tỷ suất tăng trung bình hàng năm polysaccharide thương mại chủ yếu: dự báo phân tích thị trường Mỹ TỶ SUẤT TĂNG TRUNG BÌNH HẰNG NĂM (%) POLYSACCHARIDE THỰC PHẨM DẦU MỎ MỸ PHẨM STARCHES 2,5 1,5 - NATURAL GUM GUAR 2,1 - - ALGINS 2,7 - 3,7 ARABIC 2,6 - 3,7 CARRAGEENAN 4,5 - 3,7 LOCUST BEAN 1,9 - 3,1 CMC 3,5 0,5 3,0 HPG - 1,5 - HEC - 0,5 - MC 3,5 - 3,7 XANTHAN 8,3 2,0 5,9 PECTIN 5,9 - - CELLULOSICS 2.1 NGUYÊN LIỆU 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 Hình 2: Vi khuẩn Xanthomonas campestris Hình Vi khuẩn Xanthomonas campestris gây bệnh bắp cải Vi khuẩn Xanthomonas campestris thuộc: • Giới: Vi khuẩn • Ngành: Proteobacteria • Lớp: Gamma Proteobacteria • Bộ: Xanthomonadales • Họ: Xanthomonadaceae • Giống: Xanthomonas 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, khơng 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) Cơng 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 ni 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 khơng 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 mơi trường hanh khơ Tiêu chí chọn giống • 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 cơng nghiệp, có ổn định vệ nhiệt độ, pH,… • Giống phải có tốc độ sinh sản phát triển mạnh điều kiện mơi trường cơng 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 • Giống phải ổn định bảo quản dễ dàng bảo quản 2.2 Nguồn cacbon Glucose saccharose hai nguồn carbon sử dụng phổ biến để cung cấp cho vi khuẩn Xanthomonas campestris trình lên men thu nhận xathan Trong glucose nguồn carbon vi khuẩn Xanthomonas campestris dễ sử dụng Tuy nhiên, nồng độ cao lại ảnh hưởng xấu tới q trình lên men vi khuẩn, theo nghiên cứu nồng độ glucose -4% w/w môi trường lý tưởng cho trình lên men Để thuận tiện chủ động cho việc sản xuất, ta dùng syrup glucose làm nguồn cung cấp carbon cho vi khuẩn Syrup glucose chuẩn bị sẵn cần phải kiểm tra tiêu sau: Chỉ tiêu cảm quan: màu sắc, độ trong, mùi vị,… Chỉ tiêu hóa lý: số DE, tổng hàm lượng chất khô, độ chua, độ nhớt, … Chỉ tiêu vi sinh: tổng số vi khuẩn hiếu khí, nấm men nấm mốc • • • 2.3 Nguồn nitơ Vi khuẩn Xanthomonas campestris sử dụng nguồn nito hữu nguồn nito vơ Vì mà ta dùng nước ngâm hạt ngũ cốc, dịch thủy phân casein, dịch chiết nấm men, dịch chiết từ đậu nành, nhiên nguồn nito thường sử dụng muối amoni môi trường nhân giống nitrat môi trường lên men Xanthan sản xuất có chất lượng tốt X campestris nuôi dưỡng môi trường tổng hợp đơn giản gồm NH4Cl, glucose muối 2.4 Nguồn khống yếu tố sinh trưởng Ngồi việc cung cấp nguyên tố để trình lên men diễn tốt ta cần cung cấp đầy đủ cho vi khuẩn nguyên tố khoáng yếu tố sinh trưởng Các muối vô nguồn chất dinh dưỡng thiếu sinh trưởng vi sinh vật Chúng có chức sinh lý chủ yếu là: tham gia vào thành phần trung tâm hoạt tính enzyme vi sinh vật, trì tính ổn định kết cấu đại phân tử tế bào, điều tiết trì cân áp suất thẩm thấu tế bào, khống chế điện oxy hoá khử tế bào nguồn vật chất sinh lượng số loài vi sinh vật Bảng 3: Muối vô chức sinh lý chúng Nguy ên tố Hợp chất sử dụng Chức sinh lý P KH2PO4, K2HPO4 S (NH4)2SO4, MgSO4 Là thành phần acid nucleic, nucleoprotein, phospholipid, coenzyme, ATP Làm nên hệ thống đệm giúp điều chỉnh pH môi trường Là thành phần aminoacid chứa S, số vitamin; glutathione có tác dụng điều chỉnh điện oxy hoá khử tế bào Mg MgSO4 Ca CaCO3, CaCl2, Ca(NO3)2 Là thành phần trung tâm hoạt tính enzyme phosphoryl hố hexose, dehydrogenase acid isocitric, polymerase acid nucleic, thành phần chlorophyll bacteriochlorophyll Tạo tính ổn định số cofactor, enzyme trì, cần cho dựng trạng thái cảm thụ Tiêu chuẩn kĩ thuật TCVN 3912:1984 tế bào Na NaCl Thành phần hệ thống chuyển vận tế bào, trì áp suất thẩm thấu, trì tính ổn định số enzyme K KH2PO4 Là cofactor số enzyme, trì áp suất thẩm thấu tế bào, nhân tố ổn định ribosome số vi khuẩn ưa mặn Fe FeCl3.6H2O Thành phần sắc tố vi khuẩn FeSO4 số enzyme, vật chất nguồn lượng số vi khuẩn sắt, cần thiết để tổng hợp chlorophyll độc tố vi khuẩn bạch hầu Trong trình sinh trưởng vi sinh vật cần tới số nguyên tố vi lượng như: Zn, B Những nguyên tố có vai trò quan trọng cần với số lượng nhỏ, khoảng đến mol/ L môi trường nuôi cấy Nguyên tố vi lượng tham gia vào thành phần enzyme làm hoạt hoá enzyme Các chất hỗ trợ kĩ thuật chất chống bọt (QCVN 4-7:2010/BYT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia phụ gia thực phẩm - Chất chống tạo bọt), chất điều chỉnh độ pH: acid citric (QCVN 4-11 : 2010/BYT- quy chuẩn kỹ thuật quốc gia phụ gia thực phẩm – chất điều chỉnh độ acid) 2.5 Nước Nước sử dụng quy trình sản xuất xanthan có hai vai trò là: • • Pha lỗng mơi trường nhân giống mơi trường lên men tới nồng độ thích hợp cho sinh trưởng vi khuẩn trình Nước sử dụng để pha loãng canh trường sau lên men để giảm độ nhớt, tăng hiệu tách tế bào vi khuẩn q trình ly tâm phía sau Nước sử dụng quy trình sản xuất cần phải đạt tiêu sau: • • • • • • • Độ cứng chung (mg – đương lượng) ≤ Hàm lượng muối carbonate ≤ 50 mg/l Hàm lượng muối Mg ≤ 100 mg/l Hàm lượng muối clorua: 75 – 150 mg/l Hàm lượng muối CaSO4: 130 – 200 mg/l Hàm lượng Fe2+≤ 0.3 mg/l Khí NH3 : khơng có • • Các muối có gốc NO-, NO2-: khơng có Vi sinh vật ≤ 100 tế bào/cm3 I.1.1.1 Muối công nghiệp cồn tinh luyện Muối cồn phụ liệu cần thiết cho trình kết tủa xanthan Để đảm bảo cho chất lượng sản phẩm xanthan muối cồn cần đạt tiêu chuẩn sau: Bảng 4: Chỉ tiêu chất lượng cồn STT Tên tiêu Ethanol Aldehyde tổng Rượu cao phân tử Ester Methanol Acid hữu Fufurol Đơn vi đo % v/v mg/l mg/l Yêu cầu Không thấp 96,2 Không vượt Không vượt mg/l PP thử với fuchsin acid mg/l Khơng vượt q 30 Âm tính Khơng vượt q 15 Khơng có Bảng Chỉ tiêu chất lượng muối Tên tiêu Màu sắc Mùi Dạng bên Cỡ hạt Độ ẩm Yêu cầu Muối tinh chế, tinh thể màu trắng đều, sạch, khơng có tạp chất Khi hòa tan nước phải dung dịch trong, đồng Khơng có mùi Khơ ráo, tơi đều, trắng 1÷15 mm < 10% QUY TRÌNH SẢN XUẤT XANTHAN GUM Sơ đồ quy trình sản xuất xanthan gum: Nguyên liệu ( syrup bắp, glucose,…) Vi khuẩn Xanthomonas campestris Chuẩn bị môi trường Nhân giống Thanh trùng lần Lên men Thanh trùng lần Pha loãng Xác VSV sinh Tách vi sinh vật Kết tủa Tách nước Sấy Sản phẩm Nghiền Bao bì Đóng gói  ... đều, trắng 1÷15 mm < 10% QUY TRÌNH SẢN XUẤT XANTHAN GUM Sơ đồ quy trình sản xuất xanthan gum: Nguyên liệu ( syrup bắp, glucose,…) Vi khuẩn Xanthomonas campestris Chuẩn bị môi trường Nhân giống... sinh trưởng vi khuẩn trình Nước sử dụng để pha loãng canh trường sau lên men để giảm độ nhớt, tăng hiệu tách tế bào vi khuẩn q trình ly tâm phía sau Nước sử dụng quy trình sản xuất cần phải đạt... 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: