công nghệ sản xuất xanthan gum
TRANSCRIPT
1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC-THỰC PHẨM-MÔI TRƯỜNG
BÁO CÁO
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XANTHAN GUM
Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌCChuyên ngành: THỰC PHẨM
GVHD : ThS. Huỳnh Quang Phước
TP. Hồ Chí Minh, 11/2014
1. Lê Trí Kiểng2. Đỗ Tuyết Mai3. Lê Thị Kiều Huệ4. Nguyên Hoàng Oanh
5. Phạm Thị Bích Trâm6. Hồ Tuấn Dũng7. Nguyễn Vân Hương8. Hồ Thùy Bảo Trân
SVTH:
2
Nội dung báo cáo
Tổng quan tài liệu
Quy trình sản xuất
Thuyết minh quy trình
Yêu cầu kỹ thuật
Một số ứng dụng
CNSX Xanthan gum
CNSX Xanthan gum
3
Tổng quan tài liệuGiới thiệu chung về Xanthan gum
‒ Là 1 polysaccharide cao phân tử (M~933), được sản xuất bởi quá trình lên men cacbonhydrat với chủng vi khuẩn thuần khiết Xanthomonas campestris
‒ INS (International numbering system): 415‒ Mã số CAS (Chemical Abstracts Service): 11138-66-2‒ Chức năng: phụ gia thực phẩm: làm dày, tạo bọt, ổn định cấu trúc sản
phẩm, chất nhũ hóa.‒ Đây là phụ gia được cho phép sử dụng trong thực phẩm được quy
định cụ thể trong QCVN 4 - 21: 2011/BYT.
4
Tổng quan tài liệuCấu tạo phân tử Xanthan gum
‒ Xanthan bao gồm những cụm 5 gốc đường được lặp lại, mỗi cụm gồm 2 gốc đường D-glucose, 2 gốc đường D-mannose, 1 gốc đường D-glucoronate và các gốc acetate, pyruvate với số lượng thay đổi làm cho nên cấu trúc bất đối xứng.
‒ Các β-D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 glycoside
5
Tổng quan tài liệuTrạng thái phân tử Xanthan gum
‒ Mạch nhánh và mạch thẳng xoắn chặt với nhau tạo thành hình dạng bền chặt.
‒ Mạch chính được mạch bên bảo vệ nên làm cho Xanthan tương đối bền với acid, kiềm và enzyme.
6
Tổng quan tài liệuCơ chế tạo gel của xanthan gum
‒ Ở điều kiện nhiệt độ cao, các xanthan dạng xoắn đôi sẽ bị tách ra tạo thành các mạch đơn phân bố đều trong dung dịch.
‒ Khi giảm nhiệt độ, các mạch đơn này lại hình thành các liên kết với nhau, xoắn cuộn lại, tạo thành cấu trúc mạng lưới; song song đó hình thành nên liên kết Hydro và cộng hóa trị với nước và một số cation như K+…Vì thế mà cấu trúc gel của xanthan gum được hình thành.
‒ Tăng nồng độ muối có tác dụng làm bền hệ gel trong điều kiện nhiệt độ và pH cực đoan.
‒ Và yếu tố quan trọng quyết định độ bền hệ gel này là nồng độ xanthan gum trong dung dịch. Nếu nồng độ quá thấp sẽ hình thành những liên kết không phù hợp, hệ liên kết lỏng lẽo. Trọng lượng phân tử xanthanvà nồng độ muối them vào dung dịch
7
Tổng quan tài liệu
Ảnh hưởng của nồng độ xanthan gum lên cấu trúc gel:
a) In dilute solution: Cd=1mg/cm3. Sự phân ly của các dimer xanthan thành 2 chuỗi đơn duy nhất cấu trúc xoắn với 1 vòng lặp kẹp tóc giống nhau do sự tương tác ion yếu.
b) In concertrated solution: Cd = 10mg/cm3. Xoắn kép được tháo xoắn ở 2 phần đầu cuối nhưng không phân tách thành 2 chuỗi duy nhất, do xanthan tự làm tang lực ion hiệu quả để ổn định các dimer. Đồng thời tập hợp các cặp không phù hợp làm tăng khối lượng phân tử đáng kể
8
Tổng quan tài liệuTính chất công nghệ Xanthan gum
Độ nhớt cao và tính tan cao tốt
Khả năng hydrate hóa
Ổn định với nhiệt độ, pH, enzyme…
Đặc trưng độc đáo của lưu biến pseudoplastic
Tính tương hợp của xanthan gum
9
Tổng quan tài liệuTạo dung dịch có độ nhớt
‒ Khi hòa tan trong nước, bị hydrat hóa một 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 (centipoise) khi đo ở 60v/ph với thiết bị đo độ nhớt Brookfield model LVF ở 250C. Cao gấp 100 lần so với gelatin cùng nồng độ
‒ Ảnh hưởng của muối: độ nhớt không bị ảnh hưởng khi thêm một lượng lớn muối, như trong 250g/l dung dịch NaCl chỉ làm tăng đáng kể độ nhớt của dung dịch xanthan.
10
Tổng quan tài liệuTính tương hợp của xanthan
‒ Với alcohol: Tuy xanthan không hòa tan trực tiếp được trong alcohol nhưng lại có khả năng tương thích với nó. Những sản phẩm chứa xanthan trong công thức thành phần thường chiếm đến 60% dung môi alcohol như ethanol. Ta có thể sử dụng tính chất này để làm cocktail, rượu có mùi chocolate trở nên đặc hơn.
‒ Xanthan gum có thể hình thành một hệ thống làm dày ổn định với axit, kiềm, muối, me, chất bảo quản, chất làm đặc, oxy hóa, và các hóa chất khác. Đồng thời, nó vẫn có thể lưu biến.
‒ Nhờ có các liên kết beta-1,4-glycoside kết hợp với cấu trúc xoắn cuộn mà xanthan gum không bị thoái hóa dưới tác động của enzyme cellulase, pectinase, amylase, protease trong thực phẩm.
11
Tổng quan tài liệuGel thuận nghịch về nhiệt độ
‒ Gel tạo thành khi làm nguội các hỗn hợp xanthan gum ở trạng thái keo có thể thực hiện sự chuyển đổi cấu hình xoắn ốc đôi thành chuỗi đơn ở 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 của dung dịch. Xantham gum có khả năng kết hợp được với nhiều chất tạo gel, tạo sệt khác nhau như locust bean gum, konjac, guar gum.
12
Tổng quan tài liệuKhả năng hydrat hóa, ổn định với nhiệt độ và pH
‒ Sự hiện diện của những chuỗi tích điện âm trong phân tử xanthan gum làm tăng khả năng hydrate hóa và tạo nên dung dịch xanthan gum rất bền khi lạnh đông cũng như rã đông.
‒ Với nồng độ muối 0,1% trở lên, độ nhớt của xanthan gum tương đối không thay đổi trong khoảng nhiệt từ -18 đến 1200C, pH từ 2-12
13
Tổng quan tài liệuVi sinh vật lên men tạo Xanthan gum
‒ Xanthan gum được sản xuất từ vi khuẩn Xanthomonas campestris được phân lập từ cây cải bắp, nó chính là loại vi khuẩn làm cho lá cây có màu đen.
‒ Giới: Bacteria‒ Ngành: Proteobacteria‒ Bộ: Gamma Proteobacteria‒ Họ: Xanthomonadaceae‒ Chi: Xanthomonas‒ Loài: X.campestris
14
Tổng quan tài liệuXanthomanas campestris
X.campestris
Vk hình que,Gram âm, có khả năng
di động
Vi khuẩn hiếu khí
Dinh dưỡng hóa năng hữu cơ dị
dưỡng
Tạo màng biofilmCatalase (+) Oxydase (-) Khử
Nitơ (-)Ức chế bởi TTC 0,1%
pHop~7, Top~28-30oC
15
Tổng quan tài liệuDinh dưỡng Xanthomonas campestris
• Glucose• Sucrose• Syrup• Bắp
• Peptone• NH4Cl
• Zn• B
• NaCl• CaCl2
Nguồn C Nguồn N
Vi lượngKhoáng
16
Tổng quan tài liệuChỉ tiêu chọn giống
Khả năng tổng hợp xanthan mạnh
Nguồn nguyên liệu nuôi cấy rẻ, dồi dào
Thích nghi với điều kiện nuôi cấy công nghiệp
Tốc độ sinh trưởng, phát triển nhanh
Không sinh độc tố
Ổn định di truyền, giống dễ bảo quản
17
Tổng quan tài liệuTình hình sản xuất - sử dụng trong và ngoài nước
‒ Trong công nghiệp polysaccharide thì xanthan gum là một trong những đại diện phát triển nhanh nhất. Đối với ngành thực phẩm, những nhu cầu về gum tự nhiên đang có xu hướng giảm xuống, trong khi đó xanthan lại có xu hướng tăng lên.
‒ Trên 20.000 tấn xanthan được sản xuất theo phương pháp công nghiệp từ giống vi khuẩn X. campestris mỗi năm.
‒ Nhu cầu tiêu thụ xanthan trên toàn thế giới là khoảng 23 triệu kg/năm và được dự đoán là sẽ tiếp tục tăng lên 5-10% theo hằng năm.
18
Tỉ suất tăng trung bình hàng năm của những polysaccharide thương mại chủ yếu: những dự báo và phân tích thị trường Mỹ
Tỷ suất tăng trung bình hằng năm (%)Polysaccharide Thực phẩm Dầu mỏ Mỹ phẩm
StarchesNatural gumGuarAlginsArabicCarrageenansLocust beanCellulosicsCarboxymethylcelluloseHydroxypropyl guarHydroxylethylcelluloseMethylcelluloseXanthanPectin
2,5
2,12,72,64,51,9
3,5------3,58,35,2
1,5
---------------
0,51,50,5---2,0---
---
---3,73,73,73,1
3,0------3,75,9---
19
Quy trình sản xuất Xanthan gumNguyên liệu (syrup bắp, glucose…)
Chuẩn bị môi trường
Vi khuẩn
Xanthomonas campestris
Nhân giống
Thanh trùng
Tách vi sinh vật
Lên men
Thanh trùng
Kết tủa
Tách nước
Sấy
Nghiền
Đóng gói
Sản phẩm
Bao bì
20
Thuyết minh quy trìnhNhân giống
‒ Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men.
‒ Sản phẩm: sinh khối vi khuẩn ở pha log.
‒ Các biến đổi xảy ra: hóa sinh, hóa lý, vật lý, sinh học.
‒ Thiết bị: erlen, ống nghiệm, inoculum fermenter.
‒ Thông số công nghệ: Nhiệt độ: tối ưu là 28 – 300C pH trung tính. Inoculum fermenter
21
Thuyết minh quy trìnhChuẩn bị môi trường-Thanh trùng lần 1
‒ Mục đích: chuẩn bị, đảm bảo về mặt vi sinh môi trường trước khi lên men .‒ Biến đổi:
Vật lý: tăng nhiệt độ của môi trường. Sinh học: ức chế và tiêu diệt vi sinh vật. Hóa học: một số phản ứng hóa học dưới tác dụng của nhiệt độ có thể xảy ra như
Maillard.
‒ Thông số công nghệ: Nhiệt độ thanh trùng 70 – 750C. Thời gian: 20 phút. Sau quá trình thanh trùng, môi trường được đưa về 25 – 300C.
22
Môi trường nuôi cấy Xanthomonas Campestris
Glucose: 30g/l
MgSO4.7H2O: 0,24g/l
(NH4)2SO4: 3,33g/l
H3BO3: 0,0072g/l
FeCl3.6H2O: 0,0042g/l
KH2PO4: 7,2g/l
CaCO3: 0,029g/l
Acid citric: 2g/l
ZnO: 0,006g/l
Dịch chiết nấm men: 0,75g/l
Peptone: 0,34g/l
Chất chống bọt: 0,06g/l
HCl: 0,16ml/l
pH ban đầu: 7,0 ± 0,1
Thiết bị thanh trùng bản mỏng Thiết bị phối trộn có cánh khuấy
23
Thuyết minh quy trìnhLên men
‒ Mục đích: khai thác.‒ Biến đổi:
Sinh học: sinh khối tăng liên tục. Hóa lý: độ nhớt tăng. Vật lý: trong quá trình lên men, một số chỉ tiêu của canh trưởng sẽ thay đổi về
độ nhớt, tỷ trọng, nhiệt… Hóa sinh: VSV biến dưỡng nguồn C tạo ra polysaccaride ngoại bào gọi là
xanthan gum.
24
Thuyết minh quy trình‒ 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%. Tốc độ khuấy đảo: 200 - 500 rpm.
Fermenter
25
Thuyết minh quy trìnhThanh trùng lần 2
‒ Mục đích: chuẩn bị.‒ Các biến đổi
Vật lý: nhiệt độ canh trường tăng, một số thông số vật lý như tỷ trọng, độ nhớt… thay đổi.
Sinh học: Enzyme, Xanthomonas campestris bị ức chế và tiêu diệt. Hóa lý: độ nhớt giảm do nhiệt độ tăng.
‒ Thông số công nghệ: Nhiệt độ: 700C. Thời gian: 30 phút.
26
Thuyết minh quy trìnhPha loãng
‒ Mục đích: làm giảm độ nhớt, chuẩn bị cho ly tâm tách vk. ‒ Các biến đổi: ít có các biến đổi xảy ra ngoài độ nhớt giảm.‒ Thông số công nghệ:
Tỷ lệ pha loãng: tùy vào độ nhớt cuối cùng của canh trường lên men. Nhiệt độ nước pha loãng: 70-800C. Độ nhớt của dịch sau pha loãng: 100cP.
‒ Thiết bị: bồn chứa có canh khuấy.
27
Thuyết minh quy trìnhTách vi sinh vật
‒ Mục đích: chuẩn bị. Loại bỏ những phần không cần thiết ra khỏi canh trường, chuẩn bị cho quá trinh tủa xanthan gum.
‒ Phương pháp: ly tâm.‒ Thông số công nghệ:
Lực gia tốc li tâm: 8000.g Nhiệt độ của dịch ban đầu: 700C.
28
Thuyết minh quy trìnhKết tủa
‒ Mục đích: thu hồi sản phẩm. Chuẩn bị tách nước.‒ Các biến đổi:‒ Vật lý: dịch trở lên đục khi quá trình kết tủa được tiến hành.‒ Hóa lý: sự kết tủa của các phân tử xanthan nhờ sự hình thành liên kết của
các cation của muối với các gốc tích điện ẩm có trong canh trường. Ngoài ra còn quá trình trích ly các chất màu, xác vi khuẩn, một số muối… không tốt cho sản phẩm vào dung dịch ancol.
‒ Phương pháp: tủa bằng dung môi EtOH+NaCl 4oC.‒ Thông số công nghệ:
Thời gian kết tủa: Độ ẩm của kết tủa: 80%.
‒ Thiết bị: bồn chứa có cánh khuấy, thiết bị lọc khung bản.
29
Thuyết minh quy trìnhTách nước
‒ Mục đích: cô đặc, chuẩn bị cho quá trinh sấy.‒ Biến đổi: huyền phù được tách thành pha riêng biệt với độ ẩm khoảng
50%.‒ Thiết bị: ly tâm đĩa
30
Thuyết minh quy trìnhSấy
‒ Mục đích: khai thác, hoàn thiện và bảo quản.‒ Các biến đổi:
Vật lý: nhiệt độ sẽ tăng cao trong bán thành phẩm. Hóa học: độ ẩm giảm, nhiệt độ cao có thể phân hủy mạch polymer trong cấu
trúc của xanthan. Hóa lý: biến đổi quan trọng nhất là sự chuyển pha từ lỏng sang hơi của nước. Sinh học: các vi sinh vật còn sót lại bị ức chế hoặc tiêu diệt dưới tác dụng
nhiệt của quá trình sấy, hoạt độ của nước giảm.
‒ Thông số công nghệ: Thời gian lưu: Cường độ bức xạ: Độ ẩm cuối của sản phẩm: 8 – 15%.
31
Thuyết minh quy trình
Thiết bị: Sử dụng thiết bị sấy bức xạ hoạt động liên tục dạng đường hầm (tunnel).
32
Thuyết minh quy trìnhNghiền
‒ Mục đích: hoàn thiện Làm tăng khả năng hòa tan trong dung dịch. Đồng thời tạo khối sản phẩm dễ
dàng cho vận chuyển, lưu trữ và sử dụng.
‒ Các biến đổi: Vật lý: kích thước của nguyên liệu sẽ giảm, diện tích bề mặt riêng sẽ tăng lên.
Dưới tác dụng của các lực, nhiệt độ của nguyên liệu của nguyên liệu sẽ tăng lên.
Hóa lý: sau khi nghiền, tốc độ hút ẩm sẽ tăng lên, làm độ ẩm của sản phẩm tăng, có thể dẫn tới tình trạng nguyên liệu bị vón cục.
33
Thuyết minh quy trình
Thiết bị nghiền búa
34
Thuyết minh quy trìnhĐóng 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.
‒ Thông số: 180 gói/phút. Máy đóng gói trên băng chuyền
35
Yêu cầu kỹ thuật
Tính chất cơ bản
Trạng thái: dạng bột mịn không vón
cục
Màu sắc: màu kemĐộ tan: Tan trong nước; không tan trong ethanol.
Tạo gel: Phải có phản ứng tạo gel
đặc trưng với nước.
Tính chất cơ bản
36
Yêu cầu kỹ thuật
Độ giảm khối lượng
• Không được quá 15% (nhiệt độ sấy 1050C/2,5 giờ).
Tro toàn phần
• Không được quá 16% sau khi sấy
Acid pyruvic
• Không được nhỏ hơn 1,5%
Ethanol và isopropanol
• Không được quá 500 mg/kg, ở dạng đơn chất hoặc hợp chất
Nitrogen
• Không được quá 1,5%. Tiến hành theo phương pháp Kjeldahl
Chì • Không được quá 2 mg/kg. Xác định bằng cách sử dụng kỹ thuật quang
phổ hấp thụ
Độ tinh khiết
37
Yêu cầu kỹ thuậtCác yêu cầu về vi sinh vật Tổng số vi sinh
vật• Không được
quá 5.000 CFU/g
E.coli• Âm tính đối
với mẫu thử
Salmonella• Âm tính đối
với mẫu thử
Nấm men và nấm mốc • Không được
quá 500 CFU/g
38
Yêu cầu kỹ thuậtHàm lượng
‒ Hàm lượng tính theo chế phẩm khô, không được nhỏ hơn 4,2% và không được quá 5,4% CO2, tương ứng với 91,0% - 117,0% gum xanthan.
Carbon Dioxide Determination by Decarboxylation
39
Ứng dụng trong sản xuất mỹ phẩm
Kem đánh răng Dầu gội
Sữa tắm Vaseline
40
Ứng dụng trong Y dược
Albenzadole Thuốc ho Trị sẹo
Dạ dày Chống đầy hơi
41
Ứng dụng trong thực phẩm
Bánh dẻo Kẹo dẻo Ice cream
Lô hội Ổi ép Sốt Mayo
Freeze pop
42
Ứng dụng
110oC/15p
1kgLô hội tươi
Sơ chế
Cắt nhỏ
Chần
Phối trộn
Rót chai
Đóng nắp
Tiệt trùng Làm nguội Dán nhãn
Sản phẩm
Hương, nước, đường
Ngâm nước (nước nóng)
Pectin 0,24g và xanthan gum 0,24g
2ml hương vải
đường 103,81g
1000C trong 2 phút
Kích thước 1*1*1mm
Sơ đồ công nghệ sản xuất nước lô hội
43
Kết luận‒ Xanthan gum là phụ gia làm dày có chất lượng tốt và độ an toàn cao,
nhưng chưa được sản xuất và sử dụng rộng rãi tại việt nam, do chi phí nhập khẩu cao hơn so với các hydrocolloid khác. Đề nghị đưa quy trình sản xuất vào ứng dụng nhằm sản xuất ra những sản phẩm mang chất lượng tốt với giá thành rẻ.
44
Tham khảo1. Nguyễn Lân Dũng, Vi sinh vật học, NXB Giáo dục 2003.
2. Nout R.M.J et al, Food Fermentation, Wagemngen aceademic publicshers, 2005.
3. QCVN 4 - 21:2011/BY Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phụ gia thực phẩm - chất làm dày, phụ lục 12.
4. Ash SG, Poỉymers from mìcrobes: the poỉysaccharide gums. Shel Polym 9:
5. Becker A, Katzen F, Pu" hlcr A, Ielpi L, Xanthan gunt biosynthesis and applicalion: a biochemical/geneticperspective. Appl Microbiol Biotechnol; 50:145-52, (1998).
…………
45
Thầy cô và các bạn đã lắng nghe