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
Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Chuyên ngành: THỰC PHẨM
GVHD : ThS. Huỳnh Quang Phước
TP. Hồ Chí Minh, 11/2014
1. Lê Trí Kiểng
2. Đỗ Tuyết Mai
3. Lê Thị Kiều Huệ
4. Nguyên Hoàng Oanh
5. Phạm Thị Bích Trâm
6. Hồ Tuấn Dũng
7. Nguyễn Vân Hương
8. Hồ Thùy Bảo Trân
SVTH:
1

Nội dung báo cáo
2
Tổng quan tài liệu
Quy trình sản xuất
Thuyết minh quy trình
Yêu cầu kỹ thuật
Một số ứng dụng
CNSX
Xanthan gum

3
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.

4
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

5
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.

6
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

7
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
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

9
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.

10
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.

11
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.

12
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

13
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

14
Xanthomanas 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
biofilm Catalase (+)
Oxydase (-)
Khử Nitơ (-)
Ức chế bởi
TTC 0,1%
pHop~7,
Top~28-30oC

15
Dinh dưỡng Xanthomonas campestris
• Zn
• B
• NaCl
• CaCl2
• Peptone
• NH4Cl
• Glucose
• Sucrose
• Syrup
• Bắp Nguồn
C
Nguồn
N
Vi
lượng
Khoáng

16
Chỉ 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
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.

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
Starches
Natural gum
Guar
Algins
Arabic
Carrageenans
Locust bean
Cellulosics
Carboxymethylcellulose
Hydroxypropyl guar
Hydroxylethylcellulose
Methylcellulose
Xanthan
Pectin
2,5
2,1
2,7
2,6
4,5
1,9
3,5
---
---
3,5
8,3
5,2
1,5
---
---
---
---
---
0,5
1,5
0,5
---
2,0
---
---
---
3,7
3,7
3,7
3,1
3,0
---
---
3,7
5,9
---

Quy trình sản xuất Xanthan gum
19
Nguyên 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
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

21
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.

Môi trường nuôi cấy Xanthomonas Campestris
22
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
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.

24
 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
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.
 Nhiệt độ: 700C.
 Thời gian: 30 phút.

26
Pha 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.
 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
Tách 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.
 Lực gia tốc li tâm: 8000.g
 Nhiệt độ của dịch ban đầu: 700C.

28
Kết 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.
 Thời gian kết tủa:
 Độ ẩm của kết tủa: 80%.
‒ Thiết bị: bồn chứa có cánh khuấy, thiết bị lọc khung bản.

29
Tách 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
Sấy
‒ Mục đích: khai thác, hoàn thiện và bảo quản.
 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.
 Thời gian lưu:
 Cường độ bức xạ:
 Độ ẩm cuối của sản phẩm: 8 – 15%.

31
Thiết bị: Sử dụng thiết bị sấy bức xạ hoạt động liên tục dạng đường hầm (tunnel).

32
Nghiền
‒ 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.
 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
Thiết bị nghiền búa

34
Đóng 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
Tính
chất cơ
bản
Trạng thái:
dạng bột mịn
không vón cục
Màu sắc: màu
kem
Độ 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
• Không được quá 15% (nhiệt độ sấy 1050C/2,5 giờ).
Độ giảm khối lượng
• Không được quá 16% sau khi sấy
Tro toàn phần
• Không được nhỏ hơn 1,5%
Acid pyruvic
• Không được quá 500 mg/kg, ở dạng đơn chất hoặc hợp chất
Ethanol và isopropanol
• Không được quá 1,5%. Tiến hành theo phương pháp Kjeldahl
Nitrogen
• Không được quá 2 mg/kg. Xác định bằng cách sử dụng kỹ
thuật quang phổ hấp thụ
Chì
Độ tinh khiết

37
Các 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
Hàm 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

Ứng dụng trong sản xuất mỹ phẩm
39
Kem đánh răng Dầu gội
Sữa tắm Vaseline

Ứng dụng trong Y dược
40
Albenzadole Thuốc ho Trị sẹo
Dạ dày Chống đầy hơi

Ứng dụng trong thực phẩm
41
Bánh dẻo Kẹo dẻo Ice cream Lô hội
Ổi ép Sốt Mayo Freeze pop

Ứng dụng
42
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

Kết luận
43
‒ 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.

Tham khảo
44
1. 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).
…………

Công nghệ sản xuất xanthan gum

More Related Content

What's hot

Similar to Công nghệ sản xuất xanthan gum

Công nghệ sản xuất xanthan gum