Đồ án công nghệ thực phẩm Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành công nghệ thực phẩm

ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
MỤC LỤC
Danh mục các bảng
4
Danh mục các hình
5
Lời mở đầu

7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CELLULOSE VI KHUẨN
(BACTERIAL CELLULOSE – BC)

8
1.1. CELLULOSE VI KHUẨN
8
1.1.1. Nguồn gốc
8
1.1.2. Đònh nghóa
8
1.1.3. Cấu trúc
8
1.1.4. Phân loại
11
1.1.4.1. BC I
11
1.1.4.2. BC II
12
1.1.5. Đặc điểm
13
1.1.5.1. Tính tinh khiết
13

1.1.5.2. Tính giữ nước
14
- Trang 1 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
1.1.5.3. Tính bền cơ học
14
1.1.5.4. Một số tính chất nổi bật khác
14
1.1.6. Vai trò của cellulose vi khuẩn đối với A. xylinum
15
1.1.7. Quá trình sinh tổng hợp cellulose ở A. xylinum
16
1.1.8. Cơ chế sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn
18
1.1.8.1. Giai đoạn polymer hóa
18
1.1.8.2. Giai đoạn kết tinh
20
1.1.9. Di truyền học và điều hòa của enzyme tổng hợp BC
21
1.1.10.Những sản phẩm khác của quá trình lên men bởi Acetobacter
xylinum
21
1.2. SẢN XUẤT CELLULOSE VI KHUẨN
22
1.2.1. Giống
22
1.2.1.1. Sơ lược về Acetobacter xylinum
23
1.2.1.2. Phân loại A. xylinum

24
1.2.1.3. Đặc điểm hình thái của loài Acetobacter xylinum
25
1.2.1.4. Đặc điểm sinh lý của A. Xylinum
27
1.2.1.5. Đặc điểm sinh trưởng
27
1.2.1.6. Những đột biến trên Acetobacter xylinum
28
- Trang 2 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
1.2.2. Môi trường
28
1.2.2.1. Môi trường nước dừa
28
1.2.2.2. Môi trường rỉ đường
29
1.2.2.3. Môi trường nhân giống và lên men
31
1.2.3. Quy trình công nghệ sản xuất BC
32
1.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng
33
1.2.4.1. Thành phần môi trường
33
1.2.4.2. Điều kiện lên men
39
1.2.4.3. Phương pháp lên men
41
1.2.5. Phương pháp thực hiện

43
1.2.5.1. Nuôi cấy tónh
43
1.2.5.2. Nuôi cấy có khuấy đảo
44
1.2.5.3. Một số phương pháp sản xuất khác
45
CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA BC TRONG NGÀNH CÔNG NGHỆ
THỰC PHẨM

49
2.1. DẠNG SẢN PHẨM THỰC PHẨM
49
2.1.1. Nata De Coco
49
- Trang 3 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
2.1.2. Kombucha
50
2.2. DẠNG PHỤ GIA THỰC PHẨM
51
2.2.1. Phụ gia ổn đònh cấu trúc trong surimi
51
2.2.2. Phụ gia ổn đònh cấu trúc trong thức uống chocolate
51
- Trang 4 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
2.3. DẠNG CHẤT MANG DÙNG ĐỂ CỐ ĐỊNH VI SINH VẬT HOẶC
ENZYME
51

2.3.1. Dạng chất mang dùng để cố đònh enzyme – Ứng dụng của BC
trong cố đònh enzyme glucoamylase
52
2.3.2. Dạng chất mang dùng để cố đònh vi sinh vật
57
2.3.2.1. Thuận lợi và khó khăn của tế bào cố đònh trên BC so với tế
bào tự do
57
2.3.2.2. Cố đònh Lactococcus lactis trên chất mang BC để thu nhận và
cố đònh bacteriocin
58
2.3.2.3. Cố đònh vi khuẩn Acetobacter xylinum trên BC để ứng dụng
sinh tổng hợp ra chính BC
59
2.3.2.4. Cố đònh tế bào vi khuẩn trên BC để loại acid trong rượu vang
bằng quá trình lên men malolactic
60
2.3.2.5. Cố đònh nấm men trên chất mang BC ở quá trình lên men
chính trong sản xuất rượu vang nho
62
Tài liệu tham khảo 67
- Trang 5 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Đặc tính cơ học của BC và một số vật liệu hữu cơ khác 14
Bảng 2. Một số giống vi khuẩn có khả năng tổng hợp cellulose 23
Bảng 3. Đặc điểm sinh lý của A. Xylinum 26
Bảng 4. Thành phần nước dừa già 29
Bảng 5. Hàm lượng vitamin có trong nước dừa 29
Bảng 6. Thành phần rỉ đường ở nước ta 30

Bảng 7. Hàm lượng vitamin có trong mật rỉ đường 31
Bảng 8. Ảnh hưởng của nguồn carbon lên sự tổng hợp cellulose của
A. xylinum IFO 13693 35
Bảng 9. Đặc điểm vật lý của sản phẩm BC sinh ra từ 2 điều kiện
pH 4 và 5 38
Bảng 10. Đặc tính cấu trúc St-BC và Ag-BC 42
Bảng 11. Tính chất St-BC và Ag-BC 42
Bảng 12. Hoạt tính tương đối của enzyme glucoamylase cố đònh bằng các
phương pháp hoạt hóa khác nhau 53
Bảng 13. nh hưởng của kích thước hạt BC đến hoạt tính tương đối của
enzyme glucoamylase cố đònh 54
Bảng 14. nh hưởng của hàm lượng nước trong hạt BC đến hoạt tính tương đối
của enzyme glucoamylase cố đònh 54
Bảng 15. So sánh các chất mang trong kó thuật cố đònh tế bào 62
- Trang 6 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. Cấu trúc BC

9
Hình 2. Liên kết hydro được hình thành giữa các đơn phân trong chuỗi BC

9
Hình 3. Liên kết hydro hình thành giữa các chuỗi BC

9
Hình 4. So sánh cellulose vi khuẩn và cellulose thực vật

10
Hình 5. Mô hình cấu trúc cellulose I

11
Hình 6. Phổ hấp thu
13
C-NMR của hai loại cellulose I
α
và I
β

11
Hình 7. Cấu trúc BC trong điều kiện nuôi cấy bề mặt

12
Hình 8. Mô hình cấu trúc cellulose II

12
Hình 9. Cấu trúc BC trong điều kiện nuôi cấy bề sâu

13
Hình 10. Găng tay bằng BC

15
Hình 11. Cellulose được hình thành trong lên men tónh

16
- Trang 7 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
Hình 12. Con đường tổng hợp cellulose trong A. xylinum

17

Hình 13. Con đường hình thành cellulose ở A.xylinum

17
Hình 14. Cơ chế sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn

19
Hình 15. Sự giải phóng cellulose ra môi trường ngoài từ A. xylinum

20
Hình 16. Polysaccharide Acetan

22
Hình 17. Acetobacter xylinum

24
Hình 18. Vi khuẩn Acetobacter Xylinum

25
Hình 19. SEM của A. Xylinum

25
Hình 20. Khuẩn lạc của A. bacterxylinum trên môi trường agar

26
Hình 21. Sơ đồ quy trình lên men sản xuất BC

32
Hình 22. Cấu trúc trong điều kiện nuôi cấy tónh và nuôi cấy
có khuấy đảo

41
Hình 23. BC tạo ra trong điều kiện lên men tónh

43
- Trang 8 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
Hình 24. Cellulose được tạo thành trong điều kiện nuôi cấy tónh và có khuấy
đảo

45
Hình 25. Quá trình Ajinomoto

46
Hình 26. Trục quay dạng hình trụ và dạng đóa trong RBC

48
Hình 27. Thạch dừa

50
Hình 28. Kombucha

50
Hình 29. nh hưởng của thời gian cố đònh đến hoạt tính tương đối của enzyme
glucoamylase cố đònh.

55
Hình 30. nh hưởng của pH đến hoạt tính của enzyme glucoamylase cố đònh
và tự do.

56

Hình 31. nh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính của enzyme glucoamylase cố
đònh và tự do.

56
Hình 32. nh hưởng của việc tái sử dụng đến hoạt tính của enzyme
glucoamylase cố đònh.

57
Hình 33. Hoạt tính bacteriocin của các lần tái sử dụng chế phẩm tế bào cố đònh
trên BC để lên men

59
- Trang 9 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
Hình 34. Sản lượng BC theo chu kì tái sử dụng trong chế phẩm cố đònh so với
đối chứng (DC)

60
Hình 35. Quy trình cố đònh nấm men trên BC trong dòch nho theo phương pháp
hấp phụ

63
Hình 36. Quy trình cố đònh nấm men trên chất mang BC bằng phương pháp hấp
phụ- ủ.

64
Hình 37. Kết quả chụp SEM của mẫu chất mang BC sau khi cố đònh bằng
phương pháp hấp phụ (không ủ)

65

Hình 38. Kết quả chụp SEM của mẫu chất mang BC sau khi cố đònh bằng
phương pháp hấp phụ- ủ, thời gian ủ 2 ngày.

65
Hình 39. Kết quả chụp SEM của mẫu chất mang BC sau quá trình lên men sử
dụng chất mang cố đònh bằng phương pháp hấp phụ- ủ, thời gian ủ 2
ngày

66
- Trang 10 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
LỜI MỞ ĐẦU
Cellulose là vật liệu sinh học rộng rãi nhất trên trái đất, có nhiều ứng dụng
quan trọng và có mặt khắp nơi phục vụ cho nhu cầu của con người hàng ngàn năm
qua. Cellulose được tổng hợp bởi rất nhiều sinh vật. Nó hình thành cấu trúc cơ bản
của vách tế bào hầu hết thực vật, nhiều loài nấm và một số loài tảo. Tuy nhiên,
các chủng vi khuẩn bao gồm Agrobacterium, Rhizobium, Pseudomonas, Sarcina và
Acetobacter [21] cũng có khả năng sinh tổng hợp cellulose nhằm mục đích tạo
màng bảo vệ tế bào.
Khác với bông vải và giấy, khi tinh chế sẽ làm giảm chiều dài của các chuỗi
cellulose, cellulose vi khuẩn không đòi hỏi quá trình xử lý để loại bỏ các polymer
không mong muốn và các tạp chất khác nên do đó giữ lại độ trùng hợp lớn hơn
(Nishi và cộng sự. 1990). Ở trạng thái tự nhiên, cellulose vi khuẩn có khả năng giữ
nước khá tốt, có khả năng giữ được hơn 100 lần trọng lượng của nó khi ở trong môi
trường nước. Thêm vào đó, cellulose vi khuẩn còn có độ bền cơ học cao và có thể
bò phân huỷ bởi một số nhóm vi sinh vật.
Ban đầu, quá trình sinh tổng hợp cellulose ngoại bào bởi vi khuẩn
Acetobacter xylinum được quan sát và nghiên cứu để làm sáng tỏ con đường sinh
tổng hợp cellulose, tuy nhiên sau này người ta chủ yếu tập trung vào nghiên cứu
những ứng dụng của cellulose vi khuẩn vào trong những lónh vực cụ thể như: thực

phẩm, y học, sinh học, môi trường, … [87]. Trong đó, cellulose vi khuẩn có rất nhiều
ứng dụng quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm, bao gồm: dạng sản phẩm
thực phẩm (thạch dừa, kombucha, …), chất phụ gia và dạng chất mang cố đònh các
enzyme và vi sinh vật.
- Trang 11 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CELLULOSE VI KHUẨN
(BACTERIAL CELLULOSE – BC)
1.1. CELLULOSE VI KHUẨN:
1.1.1. Nguồn gốc:
Sự tổng hợp lớp màng cellulose ngoại bào của vi khuẩn Acetobacter xylinum
lần đầu tiên được báo cáo bởi Brown và cộng sự năm 1986. Theo đó, khi nghiên
cứu về vi khuẩn acetic, Brown đã phát hiện và quan sát thấy một khối rắn mà theo
ông lúc đó khối rắn này không nằm trong các kết quả nghiên cứu ông dự đònh
trước. Khối rắn này khó bò phân hủy và giống với mô động vật. Hợp chất đó sau
này được xác đònh là cellulose và vi khuẩn tổng hợp ra nó là Bacterium xylinum
[20].
Đến nửa thế kỷ XX, các nhà khoa học mới thực sự nghiên cứu nhiều về
cellulose vi khuẩn. Đầu tiên, Hestrin và cộng sự đã nghiên cứu về khả năng tổng
hợp cellulose của vi khuẩn A. xylinum. Ông đã chứng minh rằng vi khuẩn này có
thể sử dụng đường để tổng hợp cellulose [32].
1.1.2. Đònh nghóa:
Cellulose là đại phân tử tồn tại phổ biến nhất trên trái đất, nó tạo thành cấu
trúc cơ bản của vách tế bào hầu hết các loài thực vật, nấm và một số loài tảo.
Cellulose vi khuẩn được đònh nghóa là cellulose được tổng hợp từ vi khuẩn [6, 35,
36].
Ngày nay, cấu trúc của BC đã được xác đònh nhờ vào các kó thuật về công
nghệ hiện đại, như kó thuật nhiễu xạ tia X giúp xác đònh kích thước và phân biệt
cấu trúc BC. Các kó thuật khác như phổ Raman, phân tích phổ hồng ngoại, phổ
cộng hưởng từ hạt nhân giúp xác đònh các dạng kết tinh của cellulose [6, 31, 50].

1.1.3. Cấu trúc:
BC là chuỗi polymer của các nhóm glucose liên kết với nhau qua các nối β-
1,4-glucan. Các chuỗi đơn phân tử glucan liên kết với nhau bằng liên kết Van der
Waals. Qua liên kết hydro, các lớp đơn phân tử này sẽ kết hợp với nhau tạo nên
cấu trúc tiền sợi có chiều rộng 1,5nm. Những tiền sợi này kết tinh lại tạo thành sợi.
Các sợi kết hợp với nhau tạo thành bó. Các bó sau đó kết hợp với nhau tạo thành
dải. Theo Zaar (1977) các dải này có bề dày từ 3 đến 4 nm, bề rộng từ 70 đến
80 nm. Theo Brown và cộng sự (1976) các dải này có kích thước là 3,2 x 133 nm,
còn theo Yamanaka và cộng sự (2000) là 4,1 x 177 nm, trong khi chiều rộng của sợi
- Trang 12 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
cellulose được tạo thành bằng phương pháp nghiền nhão gỗ của cây phong hoặc
cây thông thì lớn hơn theo thứ tự lần lượt là 1,4 - 4,0 x 10
-2
và 3,0 -7,5 x10
-2
mm.
- Trang 13 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
Nhiều dải cellulose có chiều dài từ 1 đến 9 nm tạo thành mạng lưới dày đặc
và ổn đònh nhờ những nối hydro bao quanh. [6, 7, 31, 50, 86, 77, 29]
Hình 1. Cấu trúc BC [31]
Hình 2. Liên kết hydro được hình thành giữa các đơn phân trong chuỗi BC
(Bielecki và cộng sự)
Hình 3. Liên kết hydro hình thành giữa các chuỗi BC (Bielecki và cộng sự)
- Trang 14 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
Những dãi siêu nhỏ của BC có chiều dài nằm trong khoảng 1-9 μm có chứa
từ 2000 đến 18 000 đơn phân glucose (Ross và cộng sự., 1991) hình thành nên một
mạng lưới cấu trúc dày đặc được giữ ổn đònh bằng những liên kết hydro. BC được

phân biệt với PC (Plant cellulose – cellulose thực vật) nhờ vào chỉ số kết tinh cao
(trên 60%) và sự khác nhau của độ trùng hợp (DP), thông thường DP của BC nằm
giữa khoảng 2 000 và 6 000 (Jonas và Farah, 1998), nhưng trong vài trường hợp đạt
đến 16 000 hoặc thậm chí 20 000 (Watanabe và cộng sự .,1998 b) trong khi DP
trung bình của polymer ở PC chỉ nằm trong khoảng13 000 đến 14 000 (Teeri,1997).
Ngoài ra, đường kính của BC chỉ vào khoảng 1/100 đường kính của cellulose thực
vật [7, 31].
(a)
(b)
Hình 4. So sánh cellulose vi khuẩn (a) và cellulose thực vật (b) [7]
1.1.4. Phân loại:
Dựa vào đặc điểm cấu trúc mà BC được phân chia thành 2 loại khác nhau là
BC I và BC II.
- Trang 15 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
1.1.4.1. BC I:
Hình 5. Mô hình cấu trúc cellulose I [29]
BC I là dạng chuyển hóa nhiệt động lực học của cellulose. Tùy thuộc điều
kiện, môi trường nuôi cấy và giống vi khuẩn mà BC có dạng các chuỗi glucan xếp
song song nhau theo 2 dạng là I
α
và I
β
. Trong vi sợi cellulose đều có sự tham gia
của hai loại cấu trúc tinh thể này (Yamamoto & Horii, 1993). Trong khi hầu hết
tinh thể I
β
tinh khiết thu được từ cellulose thực vật thì vẫn chưa có cách nào thu
nhận được các tinh thể I
α

tinh khiết từ nguồn này. Cấu trúc của cellulose được tổng
hợp từ vi khuẩn A. xylinum chứa nhiều tinh thể I
α
hơn cellulose thực vật, hàm lượng
loại tinh thể này có thể lên đến hơn 60%. Tỉ lệ này có thể dao động trong khoảng
64% đến 71% tuỳ vào chủng vi sinh vật và nhiệt độ môi trường (Yamamoto &
Horii, 1994). Ngược lại I
β
chủ yếu có trong thành phần cellulose hình thành nên
thành tế bào của một số loài thực vật bậc cao như cotton và gai. Ở đó, cellulose I
α
chỉ chiếm khoảng 20%. Hai dạng thù hình này có thể được phân biệt dựa vào phổ
13
C-NMR.
- Trang 16 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
Hình 6. Phổ hấp thu
13
C-NMR của hai loại cellulose Iα và Iβ
Trong môi trường nuôi cấy tónh thường xuất hiện dạng BC I này [63], chúng
có đường kính từ 0,05-0,1
µ
m. Dù vẫn thường được sử dụng song phương pháp nuôi
cấy tónh thường cho sản lượng thấp và mang tính thủ công. BC tạo ra từ nuôi cấy
tónh thường có dạng màng dày trên bề mặt môi trường. BC tổng hợp theo phương
pháp nuôi cấy bề mặt thường có ưu thế ở việc dễ tạo màng và có độ chòu lực cao
[6, 7, 31, 36, 50].
Hình 7. Cấu trúc BC trong điều kiện nuôi cấy bề mặt
1.1.4.2. BC II:
Hình 8. Mô hình cấu trúc cellulose II [29]

- Trang 17 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
BC II là dạng sợi cellulose ổn đònh về nhiệt động lực học. Các chuỗi glucan
sắp xếp đối song song với nhau và thường được tổng hợp trong môi trường nuôi cấy
bề sâu. Các sợi cellulose này thường có dạng uốn cong, đường kính 0,1-0,2
µ
m. Sợi
cellulose vừa tổng hợp ra thường phân bố khắp môi trường nuôi cấy hoặc chúng kết
hợp lại với nhau tạo thành các dạng hạt nhỏ hay các hạt hình sao. BC tổng hợp theo
phương pháp nuôi cấy bề sâu tuy có độ chòu lực không cao bằng phương pháp nuôi
cấy bề mặt nhưng có ưu thế là độ trương nở và ngậm nước cao [6, 7, 31, 50].
Hình 9. Cấu trúc BC trong điều kiện nuôi cấy bề sâu.
1.1.5. Đặc điểm:
1.1.5.1. Tính tinh khiết:
 Bacterial cellulose là loại cellulose sinh học duy nhất được tổng hợp mà
không chứa lignin hay hemicellulose, thành phần môi trường có thể được loại bỏ để
thu được BC với độ tinh sạch cao. Cellulose thu nhận từ thực vật phải trải qua
nhiều giai đoạn nghiền nhão xử lý đến sự loại bỏ lignin và những hỗn hợp khác.
Bước loại lignin này thì đặc biệt tốn kém và gây ô nhiễm môi trường. Trong khi đó,
cellulose vi khuẩn thuần khiết và không phải có những bước xử lý phức tạp. Bởi vì
những bước xử lý cellulose vi khuẩn yêu cầu ít hơn, tiêu tốn ít tiền hơn và ít tạo ra
các sản phẩm không mong muốn. Nhưng một ưu điểm lớn hơn là những sợi
cellulose còn lại sau xử lý không sứt mẻ vì xử lý đơn giản hơn, và như vậy
cellulose bền hơn và vẫn giữ lại những đặc tính quan trọng [18].
 Ngoài ra, cellulose vi khuẩn còn có thể bò phân huỷ bởi một số nhóm vi
sinh vật.
- Trang 18 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
1.1.5.2. Tính giữ nước:
 Màng cellulose vi khuẩn có khả năng giữ nước rất lớn, nó có thể hút 60 tới

700 lần trọng lượng của nó, trong khi gỗ hoặc bông về mặt vật lý phải được nghiền
nhỏ ra để làm cho chúng có khả năng giữ được nước [17], quá trình này ảnh hưởng
đến độ bền của cellulose. Một khi BC được hình thành trong một mạng lưới hút
nước và không cần xử lý, nó sẽ giữ những sợi nhỏ dài và độ bền cao của nó. Ngoài
ra có thể điều chỉnh độ xốp cũng như có khả năng chứa dung tích bề mặt cao. [31,
77].
 Khi thêm những cơ chất nhất đònh hoặc thêm một số chất phụ trong quá
trình tổng hợp BC có thể thay đổi những thuộc tính của BC. Ví dụ, sự thêm
Carboxymethyl cellulose (CMC) trong thời gian sự hình thành BC làm tăng thêm
khả năng giữ nước tới 1000 lần so với trọng lượng khô của nó [56].
1.1.5.3. Tính bền cơ học [31, 77].
Cellulose I có độ bền cơ học cao, sức căng lớn, trọng lượng nhẹ, kích thước
ổn đònh. Giá trò Young’s modulus của BC khoảng 30GPa, xấp xỉ 4 lần so với sợò
hữu cơ khác.
Bảng 1. Đặc tính cơ học của BC và một số vật liệu hữu cơ khác
Loại vật liệu Young’s modulus
(GPa)
Sức căng
(MPa)
Độ giãn
(%)
Bacterial cellulose 15-35 200-300 1.5-2.0
Polypropylene 1-1.5 30-40 100-600
PE-teraphthalate 3-4 50-70 50-300
Cellophane 2-3 20-100 15-40
1.1.5.4. Một số tính chất nổi bật khác:
 Màng BC được tổng hợp một cách trực tiếp vì vậy không cần qua các bứơc
trung gian trong quá trình sản xuất các sản phẩm ứng dụng BC ( sản xuất giấy từ
bột giấy, quá trình dệt không cần se chỉ…). Đặc biệt vi khuẩn có thể tổng hợp được
các loại màng siêu mỏng và các sợi siêu nhỏ. [6].

 Trong quá trình tổng hợp cellulose người ta có thể tác động lên gen liên
quan, từ đó kiểm soát các dạng kết tinh và trong lượng phân tử cellulose. [13, 77].
 Cellulose vi khuẩn có thể được tổng hợp với hình dạng và kích thước mong
muốn trong các thiết bò lên men thích hợp[19]. Một vài nghiên cứu đã cho thấy khả
năng hình thành BC bên trong một khuôn làm sẳn. Từ những miếng BC hình thành
ở bề mặt phân cách chất lỏng môi trường và không khí, hình dạng của bề mặt sẽ
- Trang 19 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
xác đònh hình dạng của miếng BC. Theo Brown và White (1989) thì có thể hình
thành một găng tay cellulose không cần khâu bằng cách sử dụng một khối đất xốp
mà không khí ngấm qua được chìm xuống nước bên trong môi trường nuôi cấy A.
xylinum. Những tế bào tập hợp xung quanh đất xốp và hình thành cellulose [81].
Hình 10. Găng tay bằng BC (U.K. Patent 12,169,543)
1.1.6. Vai trò của cellulose vi khuẩn đối với A. xylinum:
Màng cellulose được sản xuất bởi A. xylinum đóng nhiều vai trò cho sự phát
triển và tồn tại của vi sinh vật trong tự nhiên, điển hình là các vai trò sau:
 Cung cấp chất dinh dưỡng cho vi khuẩn trong điều kiện thiếu thức ăn
(Bielecki et al., 2001).
 Sự tổng hợp và tiết cellulose bởi A. xylinum giúp tế bào lơ lửng và tới
được bề mặt giàu khí oxy vì đây là vi khuẩn hiếu khí. Do đó chỉ những tế bào gần
ranh giới hai pha lỏng khí của môi trường mới sản xuất cellulose [44, 79,33].
 Màng cellulose xúc tiến sự hình thành tập đoàn của A. xylinum trên cơ
chất và bảo vệ vi khuẩn trước những đối thủ cạnh tranh sử dụng cùng cơ chất [82].
 Vì độ nhớt và đặc tính ưa nước của lớp cellulose nên khả năng chống chòu
với những thay đổi bất lợi (thay đổi pH, sự có mặt của chất độc và vi sinh vật gây
bệnh…) trong môi trường sống tăng lên.
 Sợi cellulose giúp chống ảnh hưởng gây chết của tia UV. Khoảng 23% vi
khuẩn acetic được bao bọc bởi màng cellulose có thể sống sót hơn 1 giờ khi bò
chiếu tia UV [15,82].
Tuy nhiên, cellulose vi khuẩn cũng gây một bất lợi nhỏ cho vi khuẩn vì

màng cellulose được hình thành ở bề mặt phân cách của dòch môi trường lỏng [16].
Khi màng cellulose được hình thành và được đẩy xuống phía dưới môi trường,
cellulose mới kết tinh sẽ nằm phía trên bề mặt của môi trường. Vì lý do này nên
lượng oxy ở phía trên rất hạn chế và chất dinh dưỡng khó khuếch tán lên phía trên
do màng càng lúc càng dày [84].
- Trang 20 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
1.1.7. Quá trình sinh tổng hợp cellulose ở A. xylinum :
 Để khẳng đònh tuyên bố rằng chỉ những tế bào gần bề mặt của môi trường
mới phát triển [16], Borzani và Souza (1995) đặt một sợi tóc lên trên bề mặt của
một màng cellulose đang được tổng hợp và theo dõi vò trí của sợi tóc khi màng
cellulose tiếp tục được tổng hợp. Những kết quả cho thấy rằng rõ ràng khoảng cách
giữa sợi tóc và đáy của màng mỏng không thay đổi, và cellulose được tổng hợp
thêm và vượt qua phía trên của sợi tóc. Điều này chứng minh rằng cellulose được
hình thành từ phần phía trên của màng cellulose, và vi khuẩn ở phần đáy của màng
thì không hoạt động [16,68].
 Ishikawa và cộng sự (1995) khảo sát mối quan hệ giữa sự tăng trưởng và
quá trình tạo thành cellulose bên trong môi trường nuôi cấy lắc. Một thí nghiệm
cho thấy rằng khả năng tạo thành cellulose tăng khi mật độ tế bào ngày càng tăng,
điều này dẫn đến kết luậân là sự tổng hợp cellulose có liên quan đến sự phát triển.
Sau đóù họ cố gắng thúc đẩy sự tăng trưởng và như vậy tăng thêm số lượng của BC
sản sinh ra.
Hình 11. Cellulose được hình thành trong lên men tónh
 Người ta cho rằng quá trình hình thành cellulose không bò chi phối bởi thời
gian của quá trình lên men nên những phân tử cellulose được tổng hợp có cùng
những thuộc tính như nhau. Ngược lại, độ trùng hợp trong BC gia tăng tỉ lệ thuận
với thời gian, và đã có những báo cáo về sự khác nhau về thuộc tính phân tử của
PC và BC (Marx-Figini, 1982). Người ta kết luận rằng quá trình sinh tổng hợp BC
chỉ xảy ra khi vi khuẩn tăng mật độ quần thể.
 Ross (1991) cho rằng các con đường biến dưỡng trong quá trình tạo thành

cellulose sử dụng chu trình pentose, chu trình pyruvic và chu trình citrate. Cũng
theo ông, con đường sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn từ glucose thành các sợi kết
tinh đòi hỏi phải có sự tổng hợp uridine diphosphoglucose (UDP-Glucose), sau đó
- Trang 21 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
là một phản ứng tổng hợp cellulose và cuối cùng là sự tập hợp lại thành sợi
cellulose nhỏ để hình thành nên các dải tinh thể cellulose.
 UDP-Glucose là một nucleotide tiền thân của sự tổng hợp cellulose trong
A. xylinum. Như sơ đồ dùi đây, quá trình sinh tổng hợp UDP-Glucose từ glucose là
một quá trình trải qua 3 bước có sự tham gia của 3 loại enzyme. Những bước này là
sự phosphoryl hoá của glucose bởi xúc tác của enzyme glucokinase (EC 2.7.1.2)
thành glucose-6-phosphate, sự đồng phân hoáù của glucose-6-phosphate thành
glucose-1-phosphate bởi phosphoglucomutase (EC 5.4.2.2), và sự tổng hợp UDP-
Glucose bởi UDP-Glucose pyrophosphorylase (EC 2.7.7.9) [62]. UDP-Glucose
pyrophosphorylase đóng vai trò then chốt trong sự sinh tổng hợp cellulose của vi
khuẩn A. xylinum trong khi các chủng A. xylinum đột biến không có khả năng tổng
hợp cellulose bò thiếu enzyme này (Valla & Kjosbakken, 1981).
Hình 12. Con đường tổng hợp cellulose trong A. xylinum (Canon
& Anderson, 1991)

Hình 13. Con đường hình thành cellulose ở A.xylinum
- Trang 22 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
 Công thức tổng quát cho sự tổng hợp cellulose được biểu diễn như sau:
UDP-Glc + (β-1,4-glucose)
n
→ UDP + (β-1,4-glucose)
n+1
[62]
1.1.8. Cơ chế sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn

Quá trình sinh tổng hợp cellulose từ A. xylinum trên được chia thành hai giai
đoạn chính: giai đoạn polymer hóa và giai đoạn kết tinh.
1.1.8.1. Giai đoạn polymer hóa:
 Đầu tiên enzyme glucokinase (GK) xúc tác phản ứng phosphoryl hóa
chuyển glucose thành glucose-6-phosphate (Glc-6-P). Sau đó enzyme
phosphoglucomutase (PGM) tiếp tục chuyển hóa glucose-6-phosphate thành
glucose-1-phosphate (Glc-1-P) thông qua phản ứng đồng phân hóa. Glucose-1-
phosphate được enzyme UDP-Glucose pyrophospholyase chuyển hóa thành UDP-
Glucose. Cuối cùng, UDP-Glucose được polymer hóa thành cellulose và cellulose
được tiết ra môi trường ngoại bào nhờ một phức hợp protein màng là cellulose
synthase (Iguchi et al., 2000).
 Qua nghiên cứu các dạng vi khuẩn không có khả năng tổng hợp cellulose
cho thấy enzyme chủ yếu trong quá trình tổng hợp BC là UDP-Glc
pyrophosphorylase. Hoạt tính của enzyme này thay đổi giữa các chủng Acetobacter
xylinum. Acetobacter xylinum spp. sucrofermentans BPR2001, enzyme này có
hoạt tính cao.
 Một số vi khuẩn có khả năng sử dụng đường fructose hiệu quả hơn sẽ tạo
cellulose theo con đường sau: lúc này hệ thống enzyme phosphotransferase sẽ
chuyển fructose thành fructose–1-phosphate. Sau đó fructose-1-phosphate sẽ được
chuyển hóa thành fructose-1,6-biphosphate nhờ enzyme fructose–1-
phosphatekinase. Sau đó, enzyme phosphoglucose isomerase có hoạt tính cao, sẽ
giúp chuyển hóa fructose-6-phosphate thành glucose-6-phosphate. Tiếp theo
glucose-6-phosphate lại tham gia vào quá trình chuyển hóa tương tự như trên để
tạo ra cellulose (Iguchi et al., 2000).
- Trang 23 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
Hình 14. Cơ chế sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn (Iguchi et al.,
2000) [15]
Các enzyme tham gia vào quá trình sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn:
• CS : cellulose synthase (EC 2.4.2.12).

• FBP : fructose-1, 6- biphosphate phosphatase (EC 3.1.3.11).
• FK : glucokinase (EC 2.7.1.2).
• G6PDH : glucose -6-phosphate dehydrogenase EC 1.1.1.49).
• 1PFK : fructose-1-phosphate kinase (EC 2.7.1.56).
• PGI : phospho glucoisomerase.
• PMG : phosphogluco mutase (EC 5.3.1.9).
• PTS : hệ enzyme phosphotransferases.
• UGP : pyrophosphorylase UDPGlc (EC 2.7.7.9).
• Fru-bi-P : fructose -1,6-bi-phosphate.
• Fru-6-P : fructose-6-ph osphate.
• Glc-6(1)-P : glucose-6(1)-phosphate.
• PGA : phosphogluconic acid.
• UDPGlc : uridine diphosphoglucose.
- Trang 24 -
ĐAMH: “Tổng quan về cellulose vi khuẩn và các ứng dụng của nó trong ngành CNTP”
1.1.8.2. Giai đoạn kết tinh:
 Các chuỗi glucan được nối với nhau nhờ liên kết β -1,4-glucan. Các chuỗi
glucan kết hợp với nhau tạo thành lớp chuỗi glucan nhờ lực liên kết yếu Van Der
Waals. Lớp chuỗi glucan này chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn, sau đó chúng kết
hợp với nhau bằng liên kết hydro tạo thành các sợi cơ bản gồm 16 chuỗi glucan.
Các sợi cơ bản tiếp tục kết hợp với nhau tạo thành các vi sợi, sau đó các vi sợi tiếp
tục kết hợp với nhau tạo thành các bó sợi và được phun ra ngoài môi trường thông
qua các lỗ trên bề mặt của vi khuẩn. Sau đó, các bó sợi hình thành các dải có cấu
trúc hoàn chỉnh, nằm song song dọc theo chiều dài tế bào có chiều rộng của các
dải nằm trong khoảng 40- 60 nm [18, 21, ].
 Khi quan sát thời gian kéo dài dải cellulose, các tác giả đã phát hiện ra dải
cellulose gồm có 2 lớp, mỗi lớp có khoảng 23 vi sợi, mỗi vi sợi gồm 28 chuỗi
glucan. Kết quả hình thành một dải sợi gồm 1288 chuỗi glucan với tốc độ kéo dài
dải sợi khoảng 2,59 micron trong một giây. [68]
 Ảnh chụp kính hiển vi điện tử bề mặt tế bào cho thấy có khoảng 50 – 80 lỗ

sắp xếp thành hàng dọc chiều dài của tế bào (Ross et al., 1991). Các lỗ này chính
là các vò trí sinh tổng hợp cellulose trên bề mặt tế bào. Đây là những lỗ có đường
kính khoảng 3,5 nm sắp xếp song song theo đường thẳng dọc trục vi khuẩn. Mỗi lỗ
bao phủ một tiểu phần 10 nm chứa enzym tổng hợp cellulose. Mỗi tiểu phần 10 nm
tạo ra các chuỗi glucan hình thành vi sợi 1.5 nm.
Hình 15. Sự giải phóng cellulose ra môi trường ngoài từ A.
xylinum (Iguchi et al., 2000) [35, 11]
- Trang 25 -