Công nghệ sản xuất xanthan gum

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG 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 HỌC
Chuyên ngành: THỰC PHẨM
GVHD : ThS. Huỳnh Quang Phước
SVTH:
1.
2.
3.
4.

Lê Trí Kiểng
Đỗ Tuyết Mai
Lê Thị Kiều Huệ
Nguyên Hoàng Oanh

5. Phạm Thị Bích Trâm
6. Hồ Tuấn Dũng
7. Nguyễn Vân Hương
8. Hồ Thùy Bảo Trân

TP. Hồ Chí Minh, 11/2014

Nội dung báo cáo

Tổng quan tài liệu

CNSX
Xanthan gum

Quy trình sản xuất
Thuyết minh quy trình
Yêu cầu kỹ thuật
Một số ứng dụng


Tổng quan tài liệu
Giới 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.

3


Tổng quan tài liệu
Cấu 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
4


Tổng quan tài liệu
Trạng 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.

5


Tổng quan tài liệu
Cơ 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

6


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

7

Tổng quan tài liệu
Tính 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
8


Tổng quan tài liệu
Tạo 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.

9


Tổng quan tài liệu
Tính 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.
10


Tổng quan tài liệu
Gel 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.
11

Tổng quan tài liệu
Khả 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

12


Tổng quan tài liệu
Vi 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
13


Tổng quan tài liệu
Xanthomanas campestris

14

Tổng quan tài liệu
Dinh dưỡng Xanthomonas campestris

15


Tổng quan tài liệu
Chỉ tiêu chọn giống

16


Tổng quan tài liệu
Tình 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.

17


Tỉ suất tăng trung bình hàng năm của những polysaccharide thương mại chủ yếu: những dự báo và phân tích thị trường Mỹ

Polysaccharide

Starches
Natural gum
Guar
Algins
Arabic
Carrageenans
Locust bean
Cellulosics
Carboxymethylcellulose
Hydroxypropyl guar
Hydroxylethylcellulose
Methylcellulose
Xanthan
Pectin

Tỷ suất tăng trung bình hằng năm (%)
Thực phẩm
Dầu mỏ

Mỹ phẩm

2,5

1,5

---

2,1
2,7
2,6

4,5
1,9

-----------

--3,7
3,7
3,7
3,1

3,5
----3,5
8,3
5,2

0,5
1,5
0,5
--2,0
---

3,0
----3,7
5,9
---


Quy trình sản xuất Xanthan gum
Nguyên liệu
(syrup bắp,

glucose…)

Xanthomonas
campestris

Chuẩn bị môi trường

Nhân giống

Thanh trùng
Lên men
Thanh trùng
Tách vi sinh vật

Vi khuẩn

Kết tủa
Tách nước
Sấy
Nghiền
Bao bì

Đóng gói
Sản phẩm

19


Thuyết minh quy trình
Nhân 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
20


Thuyết minh quy trình
Chuẩn 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.

21

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
22


Thuyết minh quy trình
Lên 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.

23


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
24


Thuyết minh quy trình
Thanh 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.

25