Đề tài Gellan gum

I/ TỔNG QUAN: Giới thiệu: Gellan là polymer có khối lượng phân tử khoảng 500 000 Dalton, được sử dụng trong thương mại dưới dạng bột màu trắng, tan trong nước tạo gel, không tan trong ethanol. Gellan là exopolysaccharide được tách từ quá trình lên men tĩnh, hiếu khí của vi khuẩn Sphingomonas paucimobilis. Cấu tạo của một đơn vị lặp lại dưới dạng mạch thẳng của gellan gồm : β-1,3- D-glucose β-1,4-D-glucuronic acid Tỉ lệ 2:1:1 α-1,4- L-rhamnose Phân loại: Dựa vào hàm lượng acyl, người ta phân loại Gellan thành 2 loại: High acyl gellan ( native gellan). Low acyl gellan: Deacylated gellan. Gellan với những hàm lượng acyl khác nhau sẽ cho ra những gel có tính chất khác nhau. Gellan tự nhiên cho ra gel mềm, đàn hồi , thuận nghịch nhiệt và yếu do nhiều nhóm acetyl và glyceryl ngăn chặn sự liên kết chặt chẽ giữa các chuỗi polymer của gellan trong việc hình thành nhiều chuỗi xoắn ốc, và ngăn cản sự gói chặt chuỗi xoắn đôi bằng liên kết ngang. Quá trình deacyl hóa gellan cho ra gel chắc, giòn và thuận nghịch nhiệt do sự vắng mặt của nhiều nhóm acetyl và glyceryl. Hình 1: Công thức cấu tạo của native gellan Hình 2: Công thức cấu tạo của Low acyl gellan Cơ chế tạo gel của Gellan Hình 3: Cơ chế tạo gel của gellan. Khi ở nhiệt độ cao, gellan tồn tại dưới dạng những sợi cuộn. Khi hạ nhiệt độ xuống, các sợi duỗi ra và xoắn kép với nhau tạo ra sợi kép. Và các sợi kép này tiếp tục liên kết với nhau tạo nên các tinh thể gellan. Sự hình thành gel của gellan xảy ra nhanh chóng khi nâng và hạ nhiệt độ của dung dịch gellan với sự có mặt của các cation. Ở nhiệt độ thấp, các sợi kép của gellan sẽ hình thành những vòng xoắn có trật tự, trong khi ở nhiệt độ cao xuất hiện các polysaccharide dạng sợi đơn làm giảm độ nhớt của dung dịch. Nhiệt độ chuyển tiếp là khoảng 30 - 350C. Dưới nhiệt độ chuyển tiếp, cấu trúc của dịch trở nên cứng dần và kết quả là hình thành gel. Các sợi xoắn liên kết với nhau bằng các mối nối và hình thành nên mạng lưới không gian ba chiều bằng cách tạo phức hợp với các cation và liên kết hydro với nước. Sự bổ sung các cation hóa trị một và hóa trị hai trong suốt quá trình làm lạnh sẽ làm tăng số cầu muối tại mối nối, vì thế cải thiện được tính chất tạo gel của gellan. Sự hình thành gel của gellan rất nhạy với sự có mặt của loại cation. Những cation hóa trị một như Na, K và các cation hóa trị hai như Ca, Mg thì thúc đẩy sự tạo gel. Và điểm nóng chảy của gel sẽ tăng lên khi tăng độ mạnh của ion. Các ion đối như cation tetramethylammonium (TMA) sẽ kìm hãm sự tạo gel. Sự bổ sung các cation thúc đẩy quá trình tạo gel sẽ dẫn đến sự tinh thể hóa những sợi này và hình thành gel bền. lượng lớn nhóm thế L-glycerate sẽ hạn chế sự tinh thể hóa ở một số vùng, vì thế sản xuất ra gel mềm hơn và đàn hồi. Cơ chế tổng hợp gellan Hình 4: cơ chế tổng hợp gellan. Gellan được cấu tạo từ các monomer: β-1,3- D-glucose; β-1,4-D-glucuronic acid; α-1,4- L-rhamnose nên trước khi tổng hợp được gellan, vi khuẩn phải tổng hợp các monomer này trước. Quá trình tổng hợp : Glucose từ môi trường lên men được được vi khuẩn hấp thụ qua thành tế bào. Dưới tác dụng của enzyme glucose kynase, glucose sẽ chuyển thành glucose-6-phosphate, tiếp theo enzyme Phosphoglucomutase sẽ chuyển glucose-6-phosphate thành glucose-1-phosphate. Từ glucose-1-phosphate, sẽ chia thành hai con đường sinh tổng hợp khác nhau: Dưới tác dụng của enzyme Uridine Glucose Phosphorylase (UGP), glucose-1-phosphate sẽ tạo thành Uridine-5’-diphosphate-D-glucose (UDP-D-Glucose). Tiếp theo dưới tác dụng của Uridine Glucose Dehydrogenase sẽ tạo thành Uridine-5’-diphosphate Glucuronic acid. Dưới tác dụng của enzyme Thymidine Glucose Phosphorylase (TGP), glucose-1-phosphate sẽ tạo thành Thymidine-5’-diphosphate-D-glucose (TDP-D-glucose). Tiếp tục enzyme thymidine Rhamnose synthetase sẽ tổng hợp TDP-D-glucose thành Thymidine-5’-diphosphate Rhamnose. Như vậy, từ Uridine-5’-diphosphate-D-glucose, Uridine-5’-diphosphate Glucuronic acid, Thymidine-5’-diphosphate Rhamnose sẽ tổng hợp thành gellan. II/ NGUYÊN LIỆU: Mật rỉ đường Khái quát về mật rỉ đường Rỉ đường là phế liệu có độ nhớt cao chứa đựng nhiều đường không kết tinh trong sản xuất đường từ mía hoặc củ cải đường. Những đặc tính quan trọng phù hợp với quá trình lên men bao gồm: - Chứa hàm lượng đường cao Ngoài đường saccharose còn chứa nhiều chất hữu cơ, vô cơ, các chất thuộc vitamin và các chất kích thích sinh trưởng. Hàm lượng đường khá cao ( thường nằm trong khoảng 40-50%), Lượng đường này chủ yếu là saccharose nên khi tiến hành lên men phải pha loãng tới nồng độ thích hợp. Đặc điểm gây khó khăn lớn nhất trong quá trình lên men là hệ keo trong rỉ đường. Keo càng nhiều, khả năng hoà tan của oxy càng kém và khả năng trao đổi chất của vi sinh vật càng kém. Do đó công việc quan trọng nhất khi sử dụng rỉ đường là phải phá hệ keo này. Vì rỉ đường là chất dinh dưỡng khá lý tưởng nên chúng dễ bị vi sinh vật xâm nhập và phát triển, thường gặp nhất là những vi sinh vật gây màng và gây chua, dẫn tới làm giảm chất lượng của rỉ đường.Vì vậy, trong sản xuất ta hay dùng fluosilicate natri 2 o/ooo so với trọng lượng mật rỉ để bảo quản. Thành phần hoá học của rỉ đường Thông thường tỉ lệ rỉ đường trong sản xuất đường mía chiếm khoảng 3-3,5% trọng lượng mía. Tùy thuộc vào giống mía, điều kiện trồng trọt, công nghệ sản xuất đường… mà thành phần rỉ đường dao động như sau: Nước: 15-20% ; Chất khô: 80-85% Trong đó có 60% là đường (40% saccharose, 20% fructose và glucose), 40% còn lại là chất phi đường. Trong thành phần phi đường có khoảng 30-32% hợp chất hữu cơ và 6-10% hợp chất vô cơ. Trong hợp chất vô cơ, theo Mắc-Dinit, gồm có: K2O: 3,5% Fe2O3: 0,2% MgO: 0,1% Sulfate: 1,6% CaO: 1,5% SiO2: 0,5% P2O5: 0,2% Chloride: 0,4% Trong những hợp chất hữu cơ gồm có hợp chất có chứa nitơ và không chứa nitơ. Những hợp chất chứa nitơ phần lớn ở dạng amin như: acid aspactic, acid glutamic, leucin, isoleucin. Nitơ tổng số chiếm khoảng 0,3-0,5% (ít hơn so với lượng nitơ có trong rỉ đường củ cải). Những hợp chất không chứa nitơ như: pectin, chất nhầy furfurol và oxymethylfurfurol…. Ngoài ra trong rỉ đường có một số vitamin (tính theo microgam trên 1 gam rỉ đường) như sau: Thiamine: 8,3 Folic acid: 0,038 Riboflavin: 2,5 Pyridosine: 6,5 Nicotimic acid: 21 Biotin: 12 Pantothenic acid: 21,4 Bảng1: So sánh thành phần của rỉ đường mía và rỉ đường củ cải (tính trên rỉ đường chứa 75% chất khô – theo Baker, 1979) Thành phần Đơn vị tính Mía Củ cải Đường tổng số Chất hữu cơ không phải đường Chất tro sulfate hóa Chất hữu cơ tổng số Protein (N x 6,25) Na K Ca Cl P Biotin Folic acid Inositol Pantothenate Ca Piridosin Riboflavin Thiamine Nicotinic acid Cholin Chất khô Sucrose Raffinose Glucose Fructose Đường nghịch đảo Chất hữu cơ phi đường - Chứa Nitơ - Không chứa Nitơ Nitơ tổng Tro pH % % % % % % % % % mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg %kl mật rỉ %kl chất khô 48 – 56 9 – 12 10 – 15 60 – 65 2 – 4 0,1 – 0,4 1,5 – 5,0 0,4 – 0,8 0,7 – 3,0 0,6 – 2,0 1,2 – 3,2 Khoảng 0,04 Khoảng 6000 54 – 65 2 – 6,5 Khoảng 2,5 Khoảng 1,8 20 – 800 600 – 800 75 – 83 32 – 45 - 5 – 11 6 – 15 - 5 10 0,4 – 1,5 7 -11 4,5 – 6 48 – 52 12 – 17 10 – 12 63 – 65 6 – 10 0,3 – 0,7 2 – 7 0,1 – 0,5 0,5 – 1,5 0,02 – 0,07 0,04 – 0,13 Khoảng 0,2 5800 – 8000 50 – 100 Khoảng 5,4 Khoảng 0,4 Khoảng 1,3 20 – 45 400 – 600 76 – 84 58 – 64 0 – 4,2 - - 0 – 1,2 19 5 1,7 – 2,4 8,5 – 17,1 6,2 – 8,4 pH và độ đệm của rỉ đường: Bình thường, pH của rỉ đường từ 6,8 đến 7,2. Rỉ mới sản xuất ra có thể có pH = 7,2 – 8,9. Hiện nay, hầu hết các nhà máy đường của ta đều xử lý bằng lưu huỳnh nên pH của rỉ đường thường thấp hơn và vào khoảng 5,6 – 6,0. Độ kiềm của rỉ vào khoảng 0,5 – 20 (10 kiềm tương đương 1 ml dung dịch H2SO4 1N trung hòa hết 100 g rỉ). Độ kiềm gây bởi các muối Canxi của acid carbonic và các acid hữu cơ khác. Đệm được biểu thị bằng thể tích dung dịch H2SO4 1N cần thiết để điều chỉnh dung dịch gồm 100 g rỉ + 100 g nước tới pH 4,5. Tùy theo pH của mật rỉ, độ đệm có thể từ 14 đến 45. Vi sinh vật trong rỉ đường: Rỉ đường nhận được từ sản xuất luôn chứa một lượng vi sinh vật. Trong đó nguy hiểm nhất là vi khuẩn lactic và acetic. Mức độ nhiễm khuẩn được xác định bằng sự tăng độ chua, khi đó rỉ đường “tự lên men”. Mức tăng độ chua ( khi tự lên men sau 24h) trong phạm vi 0,2 – 0,50 xem là bình thường. Thực tế trong 1g rỉ đường chứa tới 100000 vi sinh vật không nha bào và 15000 vi sinh vật có khả năng tạo bào tử ở rỉ đường bị nhiễm nặng, con số vi sinh vật có thể đạt tới 50000 và 500000. Tuy nhiên đối với rỉ đường có nồng độ trên 70% hầu hết vi sinh vật trong rỉ đường đều chịu nằm yên nhưng khi pha loãng chúng sẽ bắt đầu hoạt động và làm giảm hàm lượng đường dẫn đến tăng tổn thất. Trong quá trình sản xuất cần có biện pháp xử lý phù hợp nhằm diệt bớt và hạn chế hoạt động của các loại tạp khuẩn này. Trong khi chuẩn bị lên men, rỉ đường được trộn với nước để giảm nồng độ đường xuống còn 15% và sau đó được đem tiệt trùng bằng phương pháp Pasteur, ta thu được hỗn hợp gọi là dịch lên men. Ưu điểm khi sử dụng rỉ đường trong nguyên liệu: Giá rẻ Khối lượng lớn, dồi dào Sử dụng tiện lợi Nguồn cung cấp khá phổ biến Giống vi sinh vật: Sphingomonas paucimobilis ATCC 31461 được chọn sử dụng để tổng hợp gellan. Đây là nhóm vi khuẩn Gram âm, hình que, chịu nhiệt, hiếu khí, lớp vỏ ngoài có màu vàng, kích thước khoảng 0.8µm x 1.5-40 µm. Hình 5: Hình ảnh của vi khuẩn S. paucimobilis ATCC-31461 cấy trên erlen. Bảng 2: Một số đặc điểm của S. Paucimobilis ATCC-21461 STT Một số đặc tính Kết quả 1 Gram Gram ( - ) 2 Kích thước (µm) 1.5 – 5.0 3 Chuyển động Có 4 Sinh bào tử Không 5 Sinh trưởng ở 30oC + Khả năng sinh acid từ (ASS) 6 Fructose - 7 Melezitose - 8 N-aceylglucosamine + 9 Khả năng hóa lỏng gellan + Kiểm tra lên men đường 10 2-ketogluconate + 11 L- Arabinose W 12 L-serine - Chỉ tiêu chọn giống vi sinh vật) Khả năng sinh độc tố: không có. Khả sinh tổng hợp gellan: càng mạnh càng tốt. Khả năng thích nghi của giống phải cao, tốc độ sinh trưởng mạnh. Điều kiện nuôi cấy: đơn giản, là môi trường đặc trưng cho sự sinh trưởng của vi khuẩn và tổng hợp gellan. Môi trường dễ kiếm, giá thành không quá cao. Sự ổn định của giống theo thời gian: càng lâu càng tốt. III/ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Hình 6: Quy trình công nghệ của sản xuất gellan. IV/ GIẢI THÍCH SƠ ĐỒ Nhân giống: Mục đích: Chuẩn bị giống cho quá trình lên men. Quá trình nhân giống giúp gia tăng số lượng tế bào( tăng sinh khối), tích lũy đủ số lượng tế bào cần thiết để cấy giống vào môi trường lên men. Giữ giống: S. paucimobilis ATCC-31461 được giữ trên môi trường YPG: - Chất chiết nấm men: 3 (g/l) - Peptone: 5 (g/l) - Glucose :30 (g/l) - NaCl: 5 (g/l) - Agar :20 (g/l) Chỉnh pH=7. Con giống sẽ được cho vào 20ml môi trường trên (đã được tiệt trùng ở 1210C, 20 phút) trong một erlen 250ml, sau đó đem cho vào thiết bị lắc với vận tốc 180 rpm ở 300C trong 24 giờ. Đem cả canh trường đi ủ trong 48 giờ ở 300C, sau đó đem bảo quản ở 40C. Nhân giống: - Nhân giống là quá trình tăng dung tích, dịch chứa sinh khối qua nhiều cấp. Mỗi cấp nhân giống thường tăng dung khối từ 10-15 lần. Cứ làm như vậy cho đến khi toàn bộ dung tích đủ để tiến hành quá trình lên men. - Khi nhân giống giai đoạn phòng thí nghiệm, người ta sử dụng các dụng cụ thủy tinh như ống nghiệm, erlen với các dung tích 750 ml, 1l, 2l kết hợp với tủ ấm, tủ lắc điều nhiệt. Do thể tích môi trường nhỏ nên việc sử dụng máy lắc có thể đảm bảo được sự đồng nhất trong canh trường nuôi và cung cấp đầy đủ oxy cho sự sinh trưởng, phát triển của nhóm vi sinh vật hiếu khí. - Khi nhân giống ở giai đoạn phân xưởng, người ta sử dụng những thiết bị với dung tích khác nhau: 100l, 500l, 1m3, 3 m3, 5 m3, 10 m3…hoặc lớn hơn tùy theo dung tích của thiết bị lên men đang sử dụng tại nhà máy. Phương pháp thực hiện: 10ml chứa môi trường glucose được tiệt trùng và canh trường vi sinh vật được ủ ở 30oC trong 24h. Sau 24h, canh trường sẽ được chuyển vào 90ml môi trường đã tiệt trùng tương tự và tiếp tục ủ ở 30oC trong 24h. 100ml giống này sẽ được chuyển tiếp đến 900ml môi trường và được ủ tiếp. Các cấp nhân giống được thực hiện cho đến khi có đủ số lượng giống cần thiết cho quá trình lên men. Hình 7: Thiết bị nhân giống 1. Hệ thống điều nhiệt (nhân giống trong erlen). 2. Bình nhân giống trung gian. 3. Thiết bị nhân giống. 4. Hệ thống lọc tách bụi và vi sinh vật. 5. Valve. 6. Bộ phận lọc hơi. 7. Bộ phận đo pH. Chuẩn bị môi trường: Mục đích: Bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi sinh vật. Môi trường lên men: Thành phần môi trường lên men Glucose: 30 (g/l) Chất chiết nấm men: 0.5 (g/l) K2HPO4 : 0.5 (g/l) MgSO4.7H2O: 0.1 (g/l) NH4NO3 : 0.9 (g/l) Dung dịch muối, 1M Dung dịch muối chứa: MnCl2.4H2O: 0.18 (g/100 ml) FeSO4.7H2O: 0.248 (g/100 ml) H2BO3 :0.028 (g/100 ml) CuCl2. 2H2O: 3.4 (g/100 ml) ZnCl2 : 2.1 (g/100 ml) CoCl2. 2H20 : 7.4 (g/100 ml) Na2MoO4. 2H2O : 0.003 (g/100 ml) Disodium tartarate : 0.21 (g/100 ml) Tiệt trùng Mục đích: Tiêu diệt vi sinh vật chuẩn bị cho quá trình lên men Thiết bị sử dụng: Thiết bị tiệt trùng liên tục YHC-20 Cấu tạo: gồm thùng chứa môi trường dinh dưỡng, bơm ly tâm, bộ đun nóng, bộ giữ nhiệt, bộ thu hồi nhiệt, bộ trao đổi nhiệt, hệ thống điều chỉnh tự động các thông số của quá trình. Nguyên tắc hoạt động: Trước khi bắt đầu hoạt động tất cả các thiết bị, đường ống dẫn và phụ tùng YHC được thanh trùng bằng hơi quá nhiệt. Hơi nước được đưa vào bộ đun nóng theo đường viền của van điều chỉnh tiêu hao hơi, sau đó vào bộ giữ nhiệt, thu hồi nhiệt và theo đường viền của van giảm áp suất vào thiết bị làm mát. Cùng lúc mở các van xả nước ngưng và khi đạt được nhiệt độ lớn hơn 1400C thì bắt đầu tiệt trùng. Khi nhiệt độ và áp suất trong nồi phản ứng đạt trị số ổn định thì khuấy đảo các cấu tử của môi trường dinh dưỡng, môi trường mới lại cho vào thùng chứa để bơm đẩy qua khe đứng nhỏ vào bộ phận đun nóng. Thông số công nghệ: - Nhiệt độ: 1210 C. - Thời gian tiệt trùng: 20 phút. - pH=7. - Tốc độ bơm môi trường: 3.5 m3/s. Hình 8. Thiết bị tiệt trùng YHC Chú thích: 1- Thùng chứa 2- Bơm 3- Bộ đun nóng 4- Bộ giữ nhiệt 5- Bộ lấy mẫu 6- Thiết bị trao đổi nhiệt- thu hồi 7- Thiết bị trao đổi nhiệt- thiết bị làm mát 8- Thiết bị lên men Lên men: Mục đích: Sinh tổng hợp gellan Quy trình thực hiện: Nạp môi trường vô trùng vào trong thiết bị Cho giống cấy vào thiết bị với tỉ lệ 10% so với thể tích thiết bị lên men. Lên men bề sâu trong thiết bị lên men ở 300 C, pH 7.0 ( điều khiển bằng cách sử dụng KOH 2M / HCl 2M). Khuấy trộn trong 500rpm, lưu lượng khí 1vvm. Các biến đổi trong quá trình lên men: Vật lý: Nhiệt độ của bình lên men tăng lên do có sự tỏa nhiệt. Hóa lý: Độ nhớt tăng, tạo hợp chất keo. Hóa học: Hàm lượng cơ chất và các thành phần dinh dưỡng giảm xuống. Hóa sinh: Enzyme xúc tác cho các phản ứng trao đổi chất trong tế bào vi khuẩn diễn ra mạnh. Sinh học: Sinh khối tế bào tăng lên. Thiết bị: Cấu tạo của bình lên men: cấu tạo tương tự như thiết bị nhân giống vi sinh vật. Chúng cũng cũng có dạng hình trụ đứng, được chế tạo từ vật liệu thép không rỉ. Bên trong thiết bị có hệ thống cánh khuấy và các đầu dò nhiệt độ, pH… để có thể theo dõi trực tiếp các thông số công nghệ trong quá trình lên men. Motor cho cánh khuấy thường được đặt phía trên nắp thiết bị. Còn cửa nạp và tháo môi trường được bố trí phía đáy. Ngoài ra thiết bị còn có cửa quan sát, van lấy mẫu… Hình 9: Thiết bị lên men Ly tâm lần 1 Mục đích: tách tế bào vi sinh vật trong dịch lên men và những tế bào bám vào polysaccharide. Các quá trình biến đổi: Vật lý: Nhiệt độ tăng lên. Hóa lý: Độ nhớt giảm. Thiết bị: Thiết bị ly tâm lọc, tốc độ quay 8000rpm, trong vòng 30 phút ở 40C. Trên thành thùng quay của máy ly tâm lọc có đục lỗ và được bọc bằng các lớp lưới hoặc vải có kích thước lỗ phù hợp với tính chất sản phẩm. Dưới tác dụng của lực ly tâm pha lỏng bắn ra qua các lỗ, pha rắn nằm lại trên thành máy. Hình 10: Máy ly tâm lọc Kết tủa: Mục đích: Kết tủa polysaccharide bằng isopropanol , chuẩn bị cho quá trình sấy thu nhận sản phẩm. Các biến đổi trong quá trình: Hóa lý: Có sự chuyển pha từ pha lỏng sang pha rắn. Phương pháp thực hiện: Dịch sau khi được ly tâm, lọc để tách tạp chất sẽ được bổ sung isopropanol lạnh 40C. Và giữ dịch lên men ở 40C trong 12h. Kết tủa còn chứa tế bào vi khuẩn lại được li tâm 38Kg/h. Phần kết tủa còn lại sẽ được sấy khô tới khối lượng không đổi và thu được gellan.Tỉ lệ thất thoát gellan chịu ảnh hưởng bởi độ pha loãng của phần dịch lỏng. Khi cho isopropanol vào trong dịch lên men sau khi ly tâm lọc, do lực hút tĩnh điện giữa isopropanol với nước mạnh hơn so với giữa polysaccharide với nước, nên tách nước ra khỏi liên kết giữa polysaccharide với nước và tạo ra kết tủa. Vì gellan là polysaccharide ở dạng ion âm nên sự hiện diện của cation trong dung dịch sẽ hỗ trợ quá trình kết tủa khi có mặt của dung môi, thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của KCl trong dung môi propanol. Trong nghiên cứu này nồng độ của gellan là 1 g/l. Kết quả được đưa ra sau đây chỉ ra rằng, khi có mặt của dung dịch KCl 1% thì lượng propanol cần thiết giảm xuống còn ¼, lúc này, muốn kết tủa 1g gellan cần 1l propanol Bảng 6: Ảnh hưởng của tỉ lệ pha loãng đến sự thất thoát của gellan Deacyl hóa Mục đích:Khử các nhóm acyl của high acyl gelan Các biến đổi trong quá trình Hóa học: làm mất nhóm acyl của gellan Phương pháp thực hiện: Dịch lên men được nhúng ngập trong nước sôi trong vòng 15 phút, làm nguội và tăng pH lên 10 bằng cách sử dụng NaOH 1M. Dịch được giữ ở 800C trong vòng 10 phút để thực hiện quá trình khử các nhóm acyl và sau đó hạ pH về 7. Ly tâm lần 2 Mục đích: Thu nhận kết tủa gellan Các biến đổi của quá trình: Vật lý: nhiệt độ tăng Hóa lý: Độ nhớt giảm Phương pháp thực hiện và thiết bị: Giống như ly tâm lần 1. Sấy Mục đích: Thu nhận gellan Các biến đổi của quá trình Vật lý: nhiệt độ tăng. Hóa lý: sự bốc hơi nước. Hóa sinh: vô hoạt các enzyme. Sinh học: tiêu diệt vi sinh vật. Thiết bị: sấy băng tải Nghiền: Mục đích: hoàn thiện, tạo sự đồng nhất cho sản phẩm. Các biến đổi: Vật lý: Giảm kích thước Thiết bị: Máy nghiền răng Nguyên lý tương tự máy nghiền búa, sử dụng động năng đang quay của các răng lắp trên dĩa để đập nguyên liệu. Về cấu tạo, bao xung quanh rotor là lưới, do đó diện tích lưới của máy nghiền răng lớn hơn rất nhiều so với máy nghiền búa. Rotor là một dĩa phẳng có gia công các răng sắp xếp theo đường tròn đồng tâm ở các vị trí khác nhau sao cho khi đóng nắp máy lại hàng răng cố định trên nắp máy nằm giữa 2 hàng răng quay trên rôto. Răng trên rôto sẽ quay theo khe giữa 2 hàng răng cố định. Răng gắn trên rôto bằng cách đúc liền hay bắt bằng các vít cấy phía sau. Ðầu răng và nắp máy càng gần (khe hở hẹp) nghiền càng mịn. Nguyên liệu được cho vào giữa tâm máy, bị răng quay đập nhiều lần. Nguyên liệu đập vào hàng răng quay thứ nhất, sau đó đập qua hàng răng cố định đi ra ngoài và đập vào hàng răng quay kế tiếp... Cứ tiếp tục cho đến khi nào kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ lưới (thường ra khỏi hàng răng cuối cùng) sẽ theo lỗ lưới ra ngoài. Nếu kích thước sau khi ra khỏi các hàng răng vẫn còn lớn hơn kích thước lỗ lưới, hạt sẽ tiếp tục bị đập nhỏ ở hàng răng cuối. Số vòng quay của roto rất lớn: 3000 - 6000 vòng/phút, do đó động năng va đập rất lớn, khả năng nghiền mịn tăng. Máy nghiền răng cũng có thổi khí nhưng ít hơn máy nghiền búa nên năng suất cao hơn (thổi khí ít, lắng bụi nhanh).Tuy nhiên, máy nghiền răng chỉ nghiền hạt có kích thước nhỏ, đồng đều trong khi máy nghiền búa có thể nghiền hạt có kích thước nhỏ, lớn đồng thời. Hình 11: Máy nghiền răng V. Sản phẩm và ứng dụng: Chỉ tiêu chất lượng của gellan Theo tài liệu của Institute of Chemical Technology, University of Mumbai, Matunga, Mumbai 400019, Indian, 2007, chỉ tiêu chất lượng của gellan được thể hiện trong bảng sau: Bảng 3: chỉ tiêu chất lượng sản phẩm Tính chất: Tiêu chuẩn: Lượng ẩm Dưới 15% (w/w) Lượng Pb Dưới 2mg/kg Lượng Nitrogen Dưới 3% Kiểm tra khả năng tạo gel với ion Ca2+ Cho 10g mẫu gellan vào 99ml nước, khuấy trong 2h. Hút một lượng nhỏ dung dịch cho vào pipette và cho vào đó 10% dung dịch calcium chloride, ngay lập tức sẽ h́nh thành gel. Kiểm tra khả năng tạo gel với ion Na+ Cho 1% dung dịch mẫu, thêm vào đó 0.5g sodium chloride, gia nhiệt lên 800C và khuấy trong một phút. Đặt dung dịch ở nhiệt độ phòng, gel bền sẽ được hình thành. Hàm lượng isopropyl còn lại sau khi trích ly Dưới 750mg/g Chỉ tiêu vi sinh vật: Tổng vi sinh vật E.Coli. Salmonella. Nấm men và nấm mốc Dưới 104 tế bào/g Không có Không có Dưới 400 tế bào/g Hàm lượng cho phép dùng trong thực phẩm Năm 1991, theo đánh giá của FAO và WHO, gellan không có đủ độc tố làm cho chuột chết. liều lượng khuyến cáo cho con người là 200mg/kg thể trọng. Ứng dụng của gellan: Gellan là chất phụ gia được ứng dụng rộng lớn trong lĩnh vực thực phẩm, mỹ phẩm chất tẩy rửa, đồ gốm,… Nó có thể cải thiện chất lượng và làm hạ giá thành sản phẩm. Trong thực phẩm: các loại nước uống, bánh kẹo, keo pectin, thực phẩm chế biến sẵn, thức ăn cho thú cưng, sản phẩm sữa. Trong y dược: thuốc nhỏ mắt, nang viên cứng hoặc mềm,… Trong mỹ phẩm: nước hoa, kem chống nắng, dầu gội đầu,... Công nghiệp hóa chất: tác nhân tạo đông, kem đánh răng,… Nông nghiệp: sustained-release fertilizer. Lĩnh vực khác: môi trường vi sinh, môi trường nuôi mô, phim ảnh. Gellan được ứng dụng như 1 tác nhân tạo đặc hay tạo cấu trúc trong thực phẩm. Tùy loại và lượng gellan sử dụng sẽ tọa ra gel có cấu trúc khác nhau theo mong muốn. Gellan được ứng dụng thành công trong sản xuất mứt, có thể thay thế cho pectin. Hàm lượng gellan sử dụng khoảng 0.4% thấp hơn so với pectin (khoảng 0.6% đối với methoxypectin cao và 0.8% đối với methoxypectin thấp). Ở những sản phẩm này, sự hợp nhất là giảm đến mức tối thiểu trong khi mứt có được tính chất cảm quan đặc trưng rất tốt. Có thể sử dụng 0.15% gellan tinh chế để chuẩn bị cho mứt cần độ cứng thấp, ít năng lượng với độ bóng tốt. Trong công nghệ sản xuất bánh kẹo, gellan sẽ góp phần tạo cấu trúc và kết cấu để giảm sự đông cứng của bột theo thời gian.. Ngoài ra, gellan có thể ngăn ngừa sự chảy nước của đường, sự đóng băng.. Gellan có khả năng kết hợp với các chất keo khác như alginate khác nên sẽ làm tăng nồng độ và độ cứng của gel. Muối alginate natri hòa tan trong muối CaCl2 ở 900C cho ra gel có tính chất yếu giống như xanthan. Nếu làm lạnh thì gel sẽ cứng hơn và bền lâu dài nếu bảo quản ở nhiệt độ thấp. gel đạt độ cứng cực đại khi 40% calcium conversion (trong alginate với 58% hàm lượng polyguluronate), và tính đàn hồi của gel được diều khiển sự điều chỉnh nồng độ Ca2+ quanh giá trị tối ưu này. Theo Papageorgiou et al thì sự kết hợp của nồng độ gellan trung bình (0.1-0.3% khối lượng/thể tích, với 2% khối lượng /thể tích alginate và trisodium citrate 5 mM. Cung cấp chất tạo gel cho nước giải khát với vị như của gelatin. Khi thêm gellan sẽ làm tăng nhiệt độ nóng chảy, giúp cho gel mềm, mọng nước nhưng lại không tan chảy, đồng thời tạo trực quan tốt, cần khoảng 0.3% gellan cho ứng dụng này. Loại Gellan đã tinh sạch được sử dụng như là chất thay thế cho agar trong việc làm môi trường rắn để nuôi cấy vi sinh vật. Môi trường này có thể chịu được nhiều chu trình tiệt trùng và cũng có thể kháng cự với sự đa dạng của enzyme. Nó có cấu trúc giống với cấu trúc của agar. Trong môi trường, lượng gellan sử dụng chỉ là 6g/L so với agar là 15g/L. Nhiều bằng chứng chứng tỏ rằng gellan là môi trường lý tưởng để nuôi cấy mô thực vật. Gellan được sử dụng trong cố định tế bào enzyme và tế bào. Theo Camelin et al gel của gellan cung cấp một giá thể bền cơ học trong việc cố định tế bào Bifidobacterium longum (gel ổn định trong hơn 150h của quá trình lên men trong môi trường whey). Hơn nữa hoạt tính xúc tác của sinh học trong sản xuất acid lactic rất cao. Wenrong và Griffits đánh giá khả năng của các hạt gel gellan – xanthan trong việc bảo vệ Bifidobacteria longum dưới những điều kiện khác nhau bao gồm dung dịch pepton, pH=4, yogurt tiệt trùng, và dịch vị được tái tạo. Và kết quả là việc cố định Bifidobacteria longum trong các hạt gel của hỗn hợp gellan-xanthan làm tăng tính chịu đựng của chúng trong môi trường acid cao. Từ đây người ta có thể sử dụng gellan trong việc cố định các vi sinh vật có lợi probiotic và sau dó chuyển nó vào cơ quan ruột của người. Điện di gel trong nghiên cứu sinh học: Bằng phương pháp điện di, gel của gellan có thể được sử dụng như giá thể rắn cho việc tách các mảnh DNA dựa vào kích thước khác nhau. Điện di gel được ứng dụng rộng rãi và là tiến trình then chốt trong sinh học phân tử. Gel điện di dựa trên gellan phải đi kèm với một polymer thứ hai là hydroxymethylcellulose hoặc là polyethylen oxide để giảm hiện tượng điện thẩm.Trong ứng dụng này, gellan có thể thay thế cho agarose tinh chế. Agarose tinh chế rất đắt và hàm lượng sử dụng khá cao, 1%. Gellan rẻ hơn agarose và sử dụng chỉ khoảng 0.125%. Gellan được xem là có tiềm năng trong việc ứng dụng trong kĩ thuật y sinh, những phần tử trung tâm của gellan bezyl ester được dùng để kiểm soát cho việc cắt vỏ thuốc.