2.3.1 Nguoăn nguyeđn lieơu cho quá trình leđn men sạn xuât cellulose vi khuaơn
2.3.1.1 Mođi trường nước dừa
Hieơn nay tái Vieơt Nam và moơt sô quôc gia khác, nguoăn nguyeđn lieơu chụ yêu đeơ sạn xuât BC là nước dừa. Tuỳ theo giông dừa mà hình dáng kích thước và trĩng lượng trái dừa cũng khác nhau, trong đó nước dừa chiêm moơt lượng khá lớn. Trung bình moơt trái dừa chứa khoạng 300ml nước (chiêm 21-25% trĩng lượng trái). Trong nước dừa già có chứa nhieău carbohydrate, vitamin, acid amin, các chât kích thích sinh trưởng …, do đó nước dừa là mođi trường dinh dưỡng rât thuaơn lợi cho sự phát trieơn cụa vi khuaơn A.xylinum và đã trở thành nguyeđn lieơu truyeăn thông đeơ sạn xuât Nata- de Coco [6-8, 56,62,71]. Tuy nhieđn, nguyeđn lieơu này chư mang tính chât địa phương và khođng theơ phù hợp cạ veă maịt sô lượng và chât lượng khi leđn men quy mođ cođng nghieơp.
Thành phaăn hóa hĩc, các vitamin, acid amin và các nguyeđn tô vi lượng chụ yêu trong nước dừa xem trong phú lúc.
2.3.1.2 Mođi trường nước mía
Trong thành phaăn cụa nước mía chứa nhieău chât dinh dưỡng (phú lúc). Với hàm lượng dinh dưỡng cao, nước mía cũng là mođi trường dinh dưỡng lý tưởng cho vi khuaơn A.xylinum. Dịch nước mía pha loãng có theơ được sử dúng làm mođi trường leđn men sạn xuât cellulose vi khuaơn ở quy mođ lớn. Tuy nhieđn những thaím dò ban đaău chư dừng lái ở mức phôi troơn nước dừa và nước mía [8]. 2.3.1.3 Mođi trường rư đường
Thành phaăn cụa rư đường có chứa 15-20% nước và 80-85% chât khođ hòa tan. Chât khođ hoà tan goăm:
- Đường toơng sô chiêm hơn 50%, trong đó saccharose chiêm 30-35%, đường khử chiêm 15-20% (goăm glucose, fructose). Đođi khi có cạ rafinose và các chât khử khođng leđn men được như caramen và melanoidin. Chât khử khođng leđn men được thường chiêm 1,7% khôi lượng rư đường.
- Thành phaăn chât khođ còn lái chiêm dưới 50%, trong đó có 30-32% chât hữu cơ và 18-20% chât vođ cơ.
Đaịc bieơt trong rư đường chứa khá nhieău lối vitamin (phú lúc).
Khi bạo quạn lađu ngày, chât lượng cụa rư đường thường giạm. Caăn có chê đoơ bạo quạn hợp lý đeơ quá trình leđn men đát hieơu quạ cao. Trong mođi trường rư đường cũng phại cung câp theđm nguoăn nitơ như trong mođi trường nước dừa [4].
2.3.2 Các phương thức leđn men cellulose vi khuaơn
2.3.2.1 Leđn men beă maịt
Mođi trường lỏng chứa trong khay với chieău sađu khođng quá 5 cm và tê bào mĩc lớp tređn beă maịt tiêp xúc trực tiêp với khođng khí. Kieơu này còn gĩi là leđn
men tĩnh. Cellulose vi khuaơn được táo ra trong trường hợp này sẽ naỉm ngay ở mức phađn cách giữa mođi trường khođng khí và mođi trường dinh dưỡng. Các tieăn sợi cellulose được đaơy ra từ các loê xêp song song theo trúc dĩc tređn beă maịt tê bào vi khuaơn, chúnh kêt tinh thành sợi và phun vào mođi trường nuođi cây. Chúng táo thành lớp màng keo goăm các bó sợi cellulose choăng leđn và xoaĩn vào nhau bao quanh các tê bào A.xylinum. Do đó, cellulose thu được trong quá trình leđn men beă maịt (S-BC) chư có moơt hình dáng duy nhât là dáng lớp màng.
Quan sát quá trình leđn men xạy ra trong đieău kieơn tĩnh. Khi cây vi sinh vaơt vào trong mođi trường, ban đaău trong mođi trường leđn men sẽ xuât hieơn các sợi cellulose lơ lửng hướng từ dưới đáy mođi trường leđn. Đoăng thời dung dịch leđn men đúc daăn. Moơt thời gian sau, cellulose táo thành sẽ noơi leđn tređn maịt thoáng cụa mođi trường. Chính lớp váng này sẽ ngaín cạn vieơc vaơn chuyeơn oxy vào mođi trường nuođi cây làm cho quá trình sinh toơng hợp cellulose cũng giạm daăn.
Trong leđn men beă maịt, mođi trường leđn men được đưa vào các khay có beă maịt roơng thoáng. Đađy là phương pháp coơ đieơn nhưng văn được sử dúng roơng rãi ở các nước tređn thêgiới [9, 53, 81, 103, 108].
2.3.2.2 Leđn men chìm
Leđn men chìm là kieơu leđn men chụ yêu trong cođng nghieơp. Khi nuođi với quy mođ lớn hay maơt đoơ tê bào cao, nhu caău oxy chư được thỏa mãn baỉng thođng khí mánh nhờ thiêt bị thoơi khí.
Phương pháp leđn men chìm còn gĩi là phương pháp leđn men beă sađu. Khi leđn men chìm, vi sinh vaơt được phađn bô đeău trong toàn boơ dung dịch leđn men và phát trieơn theo chieău sađu cụa mođi trường. Do đó nuođi cây chìm được tiên hành trong các thiêt bị leđn men có thoơi khí.
Trước đađy đeơ cung câp oxy cho mođi trường leđn men, người ta thường tiên hành súc khí lieđn túc đeơ cung câp oxy. Thiêt bị leđn men dáng coơt sụi bĩt thođng thường (conventional bubble column) được sử dúng. Nhưng sau này các nhà
khoa hĩc đã sử dúng moơt thiêt bị leđn men lieđn túc súc khí dáng taăng (modified airlift reactor-MAR) đeơ tiên hành leđn men. Thiêt bị này có tác dúng phađn caĩt kích thước cụa bĩt khí khi súc vào thành những kích thước nhỏ hơn, giúp cho quá trình trao đoơi chât dieên ra nhanh hơn. Do đó hieơu suât sinh toơng hợp cellulose cụa A.xylinum cũng cao hơn. Sau 72 giờ nuođi cây đát 7,72 g/ l BC khođ và hieơu suât quá trình leđn men đát 0,107g/ l/ h. Với thiêt bị leđn men lieđn túc súc khí dáng taăng, sạn lượng A-BC thu được cao gâp 2,7 laăn so với leđn men chìm theo các thiêt bị thođng thường.
Sạn lượng cellulose vi khuaơn thu được baỉng thiêt bị leđn men lieđn túc súc khí dáng taăng cũng cao hơn so với sử dúng thiêt bị cại tiên leđn men dáng coơt sụi bĩt thođng thường . Theo Kouda(1997) đeơ taíng hieơu suât sinh toơng hợp cellulose trong nuođi cây chìm thì hình dáng máy khuây caăn được nghieđn cứu. Máy khuây caăn có boơ đaơy với đường chaĩn gaĩn tuôc bin đoơng cơ quay cũng phù hợp đeơ leđn men BC trong nuođi cây chìm [19,64-69,94,95].
Thùng leđn men khuây troơn được dùng roơng rãi trong sạn xuât cellulose vi khuaơn. Tuy nhieđn, khó khaín cụa quá trình leđn men chìm là do BC sinh ra tích lũy trong mođi trường, táo đoơ nhớt cao, dăn đên khó kieơm soát quá trình khuây troơn và súc khí. Các vieđn huyeăn phù BC có đoơ giữ nước cao làm choán theơ tích mođi trường, gađy khó khaín cho vi sinh vaơt phát trieơn sinh toơng hợp cellulose. Trong thùng leđn men có thoơi khí, tôc đoơ toơng hợp BC tương đương nhưng chư tieđu thú 1/5 naíng lượng so với thùng leđn men khuây troơn. Những nghieđn cứu gaăn đađy cho thây vieơc sử dúng bình thoơi khí có nhieău ưu đieơm như thiêt bị đơn giạn hơn, naíng lượng cung câp cho thiêt bị thâp hơn, các tác đoơng cơ hĩc ạnh hưởng đên sinh lý tê bào thâp hơn và thiêt bị ít hư hỏng hơn [50,51,55,58,85,90,91].
Phương pháp leđn men chìm thường táo ra cellulose vi khuaơn có dáng hát nhỏ có các kích thước khác nhau, hình tròn hay hình elip hoaịc có sợi khođng đeău. Hình dáng A-BC thu được trong leđn men chìm rât đa dáng phú thuoơc vào kieơu thiêt bị leđn men chìm và cạ các chê đoơ trong leđn men chìm [17-21,31,49].
Trong mođi trường nuođi cây chìm thường xuât hieơn các tê bào A.xylinum đoơt biên Cel- khođng có khạ naíng sinh toơng hợp cellulose. Vì vaơy trong đieău kieơn nuođi cây chìm, sạn lượng A-BC táo thành thường thâp hơn so với trong leđn men beă maịt [24].
2.3. 3 Aûnh hưởng cụa nguoăn dinh dưỡng và các đieău kieơn nuođi cây
2.3.3.1 Aûnh hưởng cụa nguoăn nguyeđn lieơu
Tuỳ vào nguoăn nguyeđn lieơu (nước dừa, dịch khoai tađy, dịch trái cađy, mođi trường hóa chât toơng hợp …) trong mođi trường nuođi mà ạnh hưởng đên sự phát trieơn cụa A.xylinum và khạ naíng toơng hợp cellulose khác nhau. Do đó, yêu tô dinh dưỡng ạnh hưởng đên naíng suât cụa BC [8, 57, 80].
a) Aûnh hưởng cụa nguoăn carbon
Aûnh hưởng cụa các nguoăn carbon đên sự toơng hợp cellulose cụa A.xylinum
được tóm taĩt qua bạng 2.2
Bạng 2.2 Aûnh hưởng cụa các nguoăn carbon đên sự toơng hợp BC cụa A.xylinum
Nguoăn carbon Naíng suât toơng hợp cellulose (%)
Monosaccharide D-Glucose D-Fructose D-Galactose D-Xylose D-Arabinose D-Sorbose Disaccharide Lactose Maltose Sucrose Cellobiose 100 92 15 11 14 11 16 7 33 7-11 [26,82]
b)Aûnh hưởng cụa nguoăn nitơ
Mođi trường cơ bạn cho các nghieđn cứu veă cellulose vi khuaơn là mođi trường do Hestrin và Schramm thiêt laơp [32], có chứa cao nâm men và pepton. Nhieău nhóm nghieđn cứu khác nhau đã có các nghieđn cứu veă sự thay đoơi mođi trường dinh dưỡng lieđn quan đên tỷ leơ và nguoăn nitơ hữu cơ thay thê như trypton, CSL ( corn steep liquor)… Nguoăn CSL là nguoăn nitơ được cho là hieơu quạ nhât, cho tôc đoơ taíng trưởng tê bào và naíng suât toơng hợp cellulose cao so với các nguoăn nitơ hữu cơ khác.
c) Các chât kích thích sinh trưởng
Các vitamin pyrodoxine, acid nicotinic, p – aminobenzoic acid (pABA), biotin được xác định là caăn thiêt cho sự taíng trưởng tê bào và toơng hợp cellulose, trong khi pantothenate và riboflavin cho kêt quạ ngược lái [82].
2.3.3.2 Aûnh hưởng cụa kieơu nuođi cây
Nuođi cây beă maịt: BC được táo ra trong mođi trường nuođi cây tĩnh (Static Bacterial Cellulose, S-BC) tích tú ở beă maịt dịch nuođi, nơi giàu nguoăn oxy, các sợi cellulose được đaơy ra từ các loê tređn beă maịt tê bào vi khuaơn (hình 2.6). Các sợi này táo song song và choăng chéo.
Nuođi cây chìm: BC đuợc táo ra bởi nuođi cây laĩc (Agitated Bacterial Cellulose, A-BC) có dáng hoơt nhỏ khođng đeău, các sợi có thớ và hình sao, phađn tán tôt trong dịch nuođi, theo hướng song song và vuođng góc. Các sợi A-BC thì phức táp và uôn cong, beđn cánh đó chúng có beă roơng lớn hơn các sợi S-BC. Chi tiêt veă sự khác nhau giữa S-BC và A-BC đã được đeă caơp chi tiêt trong múc câu trúc cellulose vi khuaơn [80,95].
2.3.3.3 Aûnh hưởng cụa đieău kieơn nuođi cây pH:
Vi khuaơn A.xylinum phát trieơn thuaơn lợi tređn mođi trường có pH thâp. Do đó trong mođi trường nuođi cây caăn boơ sung theđm acid acetic nhaỉm acid hoá mođi trường. Đoăng thời acid acetic còn có tác dúng sát khuaơn, giúp ngaín chaịn sự phát trieơn cụa vi sinh vaơt có hái [52,92,93].
Đoơ thođng khí:
Vi khuaơn A.xylinum là vi khuaơn hiêu khí baĩt buoơc. Đieău kieơn tieđn quyêt khi leđn men táo sinh khôi là đieău kieơn thođng khí. Trong cơ chê cụa quá trình leđn men, lượng oxy caăn cung câp là tương đôi lớn. Trong thực tê đoơ thođng khí quyêt định naíng suât BC. Vì vaơy hình thức súc khí cung câp oxy và sử dúng cánh khuây trong leđn men đoơng là phù hợp cho sạn lượng BC cao trong leđn men chìm. Leđn men tĩnh caăn sử dúng dúng cú có beă maịt roơng, thoáng và lớp mođi trường mỏng [ 21,95,99,110 ].
Wanatabe và Yamanaka (1995) phát hieơn ra áp suât oxy cũng ạnh hưởng đên khạ naíng hình thành cellulose vi khuaơn. Cellulose hình thành dưới áp suât oxy thâp có sự phađn nhánh nhieău hơn so với trong đieău kieơn áp suât oxy cao. Do đó ạnh hưởng trực tiêp đên hình dáng và đoơ chịu lực cụa lớp màng BC [ 103] Nhieơt đoơ:
Nhieơt đoơ thích hợp với vi khuaơn A.xylinum từ 25-300C. Ở nhieơt đoơ thâp quá trình leđn men xạy ra chaơm. Ở nhieơt đoơ cao sẽ ức chê hốt đoơng và đên mức nào đó sẽ đình chư sự sinh sạn cụa tê bào và hieơu suât leđn men sẽ giạm [24,40,41,57]
2.4 Ứng dúng cellulose vi khuaơn và trieơn vĩng
Trong nuođi cây tĩnh, cellulose tích lũy tređn beă maịt mođi trường lỏng táo thành lớp màng keo. Sạn phaơm này có nhieău lợi đieơm vượt troơi như: đoơ tinh sách, đoơ kêt tinh, đoơ beăn sức caíng, đoơ đàn hoăi, đoơ co giãn, khạ naíng giữ hình dáng ban đaău, khạ naíng giữ nước và hút nước cao, beă maịt tiêp xúc lớn hơn boơt goê thường, beă dày cụa vi sợi dưới 100nm, bị phađn huỷ sinh hĩc, có tính tương
thích sinh hĩc, tính trơ chuyeơn hoá, khođng đoơc và khođng gađy dị ứng. Cellulose vi khuaơn có các ứng dúng đa dáng trong nhieău lãnh vực [39,80,82,83,98].
2.4.1 Thực phaơm
Sạn phaơm cellulose được sử dúng trong nước ép trái cađy và những thức uông khác, trong mứt kéo, trong kem, yaourt, salad, thức aín tráng mieơng có tác dúng như chât làm đaịc, vaơt lieơu oơn định dịch huyeăn phù, vaơt lieơu làm vỏ bĩc thực phaơm.
F. Yoshinaga và coơng sự (1997) so sánh tác đoơng giữ oơn định dịch huyeăn phù cụa BC với các vaơt lieơu khác như xanthan gum, sorbitan monolaurate, MCC (microcrystalline cellulose) và MFC (microfibrilated cellulose). MCC và MFC là các cellulose có nguoăn gôc từ cellulose thực vaơt. Hĩ nhaơn thây raỉng BC có tác dúng giữ oơn định dịch huyeăn phù ở các noăng đoơ muôi khác nhau, pH khác nhau và được xử lý ở các nhieơt đoơ khác nhau. Trong khi đó, sorbitan monolaurate khođng giữa được dịch huyeăn phù ở pH= 2 hoaịc dịch huyeăn phù ở 20oC. Xanthan gum khođng oơn định được dịch huyeăn phù sau khi dịch được hâp vođ trùng ở 120oC trong 20 phút. Với đaịc tính giữ oơn định dịch huyeăn phù, BC có trieơn vĩng là moơt vaơt lieơu cođng ngheơ mới cho tương lai [69,80].
Các sạn phaơm ứng dúng cellulose vi khuaơn trong lĩnh vực thực phaơm : - Món tráng mieơng (thách dừa, kem ít calori, thức aín nhanh, kéo)
- Chât nhũ hóa trong nước ép trái cađy và những thức uông khác - Chât làm đaịc (trong kem, daău giâm đeơ troơn salad)
- Thực phaơm giúp giạm cađn
- Thịt nhađn táo ít calori dành cho người aín kieđng - Màng bao thực phaơm
- Moơt sô thức uông ít calori - Trà Kombucha
- Trà Manchurian - Nước uông Kvac
[11,16,26,45-47]
2.4.2 Y hĩc
- Màng trị bỏng: màng cellulose vi khuaơn Acetobacter xylinum taơm daău mù u có tác dúng tương tự màng sinh hĩc trị bỏng [10].
- Màng baíng vêt thương, đieău trị toơn thương da, trong ghép mođ, cơ quan noơi táng.
- Tác nhađn vaơn chuyeơn thuôc (qua đường mieơng và da): dựa vào đaịc tính trương nở cụa boơt BC người ta ứng dúng làm tác nhađn vaơn chuyeơn thuôc, làm tá dược tự rã, dùng huyeăn phù BC đeơ oơn định các tá dược dáng nước, làm cho chúng khođng bị tách pha khi bạo quạn lađu ngày.
- Da nhađn táo: Ơû Brazil, màng BC ướt tinh sách được sạn xuât và bán ra thị trường như moơt lối da nhađn táo dùng đeơ đaĩp vêt thương.
Đaịc bieơt, vài lối màng dùng trong y hĩc đã có ứng dúng lađm sàng:
- Vaơt lieơu cây ghép có tính dung hợp, khođng gađy biên chứng mođ và duy trì sự chaĩp nôi chaịt chẽ, có tính tương hợp với máu và sinh hĩc, đoơ beăn cơ hĩc choẫng lái với áp lực máu, khođng thâm rư đôi với máu và các thành phaăn cụa nó, có khạ naíng khử trùng và đaịc bieơt là đã được thương mái hoá và dùng trong :
. Mách máu nhađn táo trong vi phău thuaơt. . Vỏ bĩc bạo veơ cho đường nôi dađy thaăn kinh.
. Làm mău thực taơp trong vieơc huân luyeơn kỹ thuaơt vi phău.
Trong các khía cánh ứng dúng này, vaơt lieơu BC được chứng minh có nhieău ưu thê hơn các lối vaơt lieơu khác [24].
- Các sạn phaơm dùng trị bỏng: những trường hợp phỏng đoơ 2 và 3, loét có theơ được chữa trị thành cođng. Gaăn đađy sự sinh toơng hợp cellulose đã được áp dúng thành cođng trong thí nghieơm thay thê màng cứng não chó.
- Chât phađn cách mođ: làm phúc hoăi các mođ quanh raíng baỉng cách phađn cách các tê bào bieơu mođ mieơng và các mođ nôi lợi (nướu raíng) khỏi beă maịt chađn raíng caăn chữa trị. Đieău này đã được chứng minh trong nhieău nghieđn cứu khác nhau Chât thay thê tám thời cho da người: màng cellulose cũng có theơ được sử dúng như là chât thay thê tám thời cho da người trong các trường hợp như bị phỏng, loét và nhieău trường hợp khác. Các sạn phaơm từ BC hieơn nay đang được áp dúng roơng rãi trong vieơc cây ghép phău thuaơt và nha khoa [28,30,46,61,76].
2.4.3 Mỹ phaơm
Huyeăn phù BC vừa có khạ naíng giữ aơm cao mà khođng bám lái leđn làn da sau khi rửa và cũng khođng gađy các tác dúng phú như các chât giữ aơm khác, do đó được ứng dúng:
- Kem dưỡng da.
- Chât làm neăn cho móng nhađn táo .