1

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Đề tài: QUY TRÌNH SẢN XUẤT XANTHAN GUM
GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang
Nhóm 2_lớp 11CDTP1
Nguyễn Thị Phương Dung 3005110049
Nguyễn Thị Thùy Dương 3005110041
Nguyễn Thị Oanh 3005110218
Võ Lan Phương 3005110228
Huỳnh Thị Phương Dung 3005110047

Tp.HCM, tháng 6 năm 2014

2

Lời mở đầu
Xanthan gum là một polysaccharide được sinh tổng hợp từ vi sinh vật. Có nhiều loại
polysaccharide được sinh tổng hợp bởi vi sinh vật như alginate, curlane, dextran,
gellan, glucan, pullulan và xanthan. Trong số những loại này thì xanthan gum có vai
trò vượt trội hơn bởi có tính định hướng, ứng dụng nhiều.
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. Để hiểu hơn về tính chất, ứng
dụng và các cơ chế tổng hợp nên xanthan gum nhóm chúng em xin được tìm hiểu về

1.3.2. Nguyên liệu khác: 11
2. Quy trình sản xuất xanthangum 15
2.1. Nhân giống 17
2.2. Chuẩn bị môi trường lên men. 18
2.3. Thanh trùng môi trường lên men 19
2.4. Lên men 19
2.5. Thanh trùng 25
2.6. Tách vi sinh vật 26
2.7. Kết tủa 27
2.8. Tách nước 29
2.9. Sấy 29
2.10. Nghiền 31
2.11. Đóng gói 32
3. Sản phẩm 32
3.1. Một số sản phẩm xanthan gum có trên thị trường. 32
3.2. Chỉ tiêu chất lượng của xanthan gum 33
3.3. Ứng dụng 35

4

Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2
5

1. Tổng quan về xanthan gum
1.1. Giới thiệu về xanthan gum
1.1.1. Khái niệm
Xanthan gum là một polysaccharide được sử dụng như là một phụ gia thực phẩm và

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.
Mỗi cụm đơn vị của mạch chính trong chuỗi polysaccharide bao gồm các gốc
β – D – glucose, liên kết với nhau bằng liên kết β – 1, 4 glycoside. Yếu tố này giống
với cấu trúc của cellulose.
Mạch nhánh gồm 1 gốc glucoronate nằm ở giữa liên kết với 2 gốc mannose.
Vị trí thứ nhất của gốc D-glucoronate liên kết với vị trí thứ hai của 1 gốc D -
mannose, còn vị trí thứ tư của gốc D-glucoronate liên kết với vị trí thứ nhất của một
gốc mannose khác.
Mạch nhánh liên kết với mạch chính tại vị trí thứ 3 trên gốc cellulose của
mạch chính và vị trí thứ nhất trên gốc mannose của mạch nhánh.
Khoảng một nửa số gốc mannose ở cuối có nhóm acid pyruvic liên kết do
nhóm ketal tạo vòng tại vị trí 4 – 6 trên gốc mannose
Gốc mannose còn lại liên kết với một acetyl tại vị trí thứ 6.
Xanthan gum cũng chứa các ion dương hóa trị một như là Na, K.
Mạch nhánh và mạch thẳng xoắn chặt với nhau tạo thành hình dạng bền chặt
Hình 1.1: Cấu trúc một đơn vị cuả xanthangum
Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2
7

1.1.3.3. Khối lượng phân tử:
Có thể từ 0.9 triệu đến 1.6 triệu Dalton, nó phụ thuộc vào nguồn vi sinh vật và
điều kiện thực hiện quá trình lên men.
Đôi khi khối lượng phân tử xanthan cũng có thể lên đến 13 - 50 triệu Dalton.
Hình 1.2. cấu tạo của xanthan gum
1.1.3.4. Trạng thái phân tử:
Xanthan là phân tử sinh học xoắn đôi nhưng không đối xứng nhau.
Mạch nhánh và mạch thẳng xoắn chặt với nhau tạo thành hình dạng bền chặt.
Các phân tử có thể co lại hình xoắn ốc kép hình thành nên cấu trúc đặc

ate
Aceta
te
X.
c
amp
e
st
r
is

30,1

27,
14,9

7,1

6,5

X.vasculorum

34,9

30,
2

17,9 6,6 6,3
X.faseoli



24,6

26,
14

4,9

5,51.1.4. Tính chất
1.1.4.1. Tạo dung dịch có độ nhớt
Khi hòa tan trong nước, bị hidrate 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 khi đo ở 60 v/ph với thiết bị đo độ nhớt Brookfield model LVF ở
25
0
C.
Ảnh hưởng của muối: độ nhớt không bị ảnh hưởng khi thêm một lượng lớn
muối, như trong 250 g/l dung dịch NaCl chỉ làm tăng không đáng kể độ nhớt của dung
dịch xanthan.
1.1.4.2. Tính tương hợp của xathangum:
 Với alcohol
Tuy xanthan không hòa tan trực tiếp được trong alcohol nhưng lại có khả
năng tương thích với nó. Những sản phẩm có chứa xanthan trong công thức thành
phần thường chiếm đến60% dung môi alcohol như ethanol. Ta có thể sử dụng tính
chất này để làm cho cocktail, rượu cómùi chocolate trở nên đặc hơn.
 Với các loại enzyme

Trong số những loại này thì xanthan có vai trò vượt trội hơn bởi dễ dàng sản
xuất và được ứng dụng nhiều. Thực vậy, nó đang dần được sử dụng nhiều trong thực
phẩm và trong việc tạo ra chất độn cho mỹ phẩm.
Trong công nghiệp polysaccharide thì xanthan là một trong những đại diện
phát triển nhanh nhất.
Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2
10

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.
Khoảng 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.
1.3. Nguyên liệu sản xuất xanthan gum.
1.3.1. Vi sinh vật
1.3.1.1. Giống vi sinh vật
Xanthan được sản xuất từ vi khuẩn Xanthanmonas campestris được cô lập từ
cây cải bắp, nó chính là loại vi khuẩn gây ra bệnh nấm cho cây có màu đen.

Hình 2.1. Vi khuẩn Xanthomonas campestris

Hình 2.2. Cải bắp nhiễm vi khuẩn Xanthomonas campestris Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2
11

1.3.1.2. Đặc điểm hình thái
Vi khuẩn xanthomonas campestris

khô.
1.3.1.3. Tiêu chí chọn giống
Giống vi khuẩn sử dụng phải đạt những chuẩn mực nhất định mới được phép sử
dụng. Các yếu tố cơ bản đối với giống vi khuẩn sử dụng lên men thu nhậ xanthan gồm:
- Giống vi khuẩn phải có khả năng sinh tổng hợp xanthan mạnh, sản phẩm
này có chất lượng và số lượng cao hơn hẳn các sản phẩm phụ khác trong quá trình trao
đổi chất của chúng.
- Giống phải có khả năng sử dụng các nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm.
- Giống vi khuẩn có tính thích nghi cao hơn, đặc biệt phải thích nghi với
điều kiện sản xuất công nghiệp, trong đó có sự ổn định về nhiệt độ, pH,…
- Giống phải có tốc độ sinh sản và phát triển rất mạnh trong điều kiện môi
trường công nghiệp. Tính chất này này rất quan trọng vì khi nhiễm vi sinh vật lạ thì
giống dùng trong sản xuất phải có khả năng át chế sự phát triển của vi sinh vật lạ.
- Giống phải ổn định trong bảo quản và dễ dàng bảo quản.
1.3.2. Nguyên liệu khác:
a. Nguồn cacbon:
Glucose và saccharose là hai nguồn carbon được sử dụng phổ biến để cung cấp
cho vi khuẩn Xanthanmonas campestris trong quá trình lên men thu nhận xanthan.
Trong đó glucose là nguồn carbon vi khuẩn Xanthanmonas campestris dễ sử dụng. Tuy
nhiên, ở nồng độ cao nó ảnh hưởng xấu tới quá trình lên men của vi khuẩn, theo các
nghiên cứu thì nồng độ glucose 2 – 4% w/w là môi trường lý tưởng cho quá trình lên
men.
Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2
13

Để thuận tiện và chủ động cho việc sản xuất, ta dùng syrup glucose làm nguồn
cung cấp carbon cho vi khuẩn. Syrup glucose làm nguồn cung cấp cho vi khuẩn.
Ở châu âu người ta dùng syrup bắp để làm nguồn nguyên liệu sản xuất xanthan.
Syrup bắp còn được gọi là high fructose corn syrup (HFCS) do có hàm lượng fuctose
rất cao, được sử dụng phổ biến trong các loại kẹo và đồ uống.


Nguyên tố Hợp chất sử dụng

Chức năng sinh lý
Tiêu chuẩn kĩ
th
u
ậ
t

P KH
2
PO
4
,
K
2
HPO
4

Là thành phần của acid
nucleic, nucleoprotein,
phospholipid, coenzyme, ATP
Làm nên hệ thống đệm giúp điều


MgSO
4

Là thành phần trung tâm
hoạt tính của enzyme phosphoryl
hoá hexose, dehydrogenase của
acid isocitric,
polymerase của acid nucle
ic,
Ca
CaCO
3

CaCl
2
,

Ca(NO
3
)
2

Tạo tính ổn định của một số
cofactor, enzyme duy trì, cần cho
sự dựng trạng thái cảm thụ của tế
bào.

,
duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào
,
là nhân tố ổn định của ribosome ở

một số vi khuẩn ưa mặn. Fe

FeCl
3
.6H
2
O FeS0
4

Thành phần của sắc tố vi
khuẩn và một số enzyme, là vật
chất nguồn năng lượng của một số
vi khuẩn sắt, cần thiết để tổng hợp
chlorophyll và độc tố vi khuẩn
bạch hầu.


0
C.
Các biến đổi:
- Hóa sinh: Trong quá trình nhân giống vi sinh vật xảy ra rất nhiều phản ứng
hóa sinh bên trong và bên ngoài tế bào làm xuất hiện nhiều sản phẩm trao đổi chất,
góp phần làm thành phần hóa học của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian cấy.
- Hóa lý: Trong quá trình nhân giống xảy ra 1 số biến đổi về pha. Việc nhân
giống được thực hiện trong điều kiện hiếu khí nên việc sục không khí vào canh
trường sẽ làm tăng nồng độ oxy hòa tan trong pha lỏng.
- Vật lý: Trong quá trình sinh trưởng, 1 phần năng lượng sẽ tỏa ra ngoài
dưới dạng nhiệt năng. Hiện tượng này có thể làm tăng nhiệt độ canh trường khi nhân
giống vi sinh vật ở qui mô lớn. Do đó cần chú ý hiệu chỉnh nhiệt độ của canh
trường trong suốt quá trình nhân giống.
- Sinh học: Các tế bào vi sinh vật sẽ thực hiện quá trình trao đổi chất và sản
sinh ra nhiều thế hệ tế bào mới.
Thiết bị:
Trong sản xuất, tùy thuộc vào thể tích làm việc của thiết bị lên men mà lượng
giống cấy VSV cần cấy sẽ thay đổi ít hay nhiều. Do đó, số cấp nhân giống cũng sẽ
thay đổi để các nhà sản xuất thu được đúng lượng giống cần sử dụng. Nếu thể tích
bình lên men càng lớn thì lượng giống cấy càng lớn.
Nhân giống được chia làm hai giai đoạn:
Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2
18

- Nhân giống ở phòng thí nghiệm: sử dụng các ống nghiệm (cấp 1), bình tam
giác hoặc erlen(cấp 2 và 3), bình nuôi cấy(cấp 4).
- Nhân giống ở phân xưởng: sử dụng các bình lên men cho môi trường lỏng.
Bình lên men dùng để nuôi cấy giống VSV có cấu tạo tương tự như những bình lên
men dùng để nuôi cấy VSV thu nhận các sản phẩm trao đổi chất. Thiết bị có dạng hình
trụ đứng, bên trong có cánh khuấy và bộ phân sục khí. Nhiệt độ canh trường trong quá

men.
Biến đổi: chủ yếu là biến đổi sinh học, ức chế, tiêu diệt các vi sinh vật nhiễm.
Thông số công nghệ:
- Nhiệt độ thanh trùng 70 – 75
0
C.
- Thời gian: 20 phút, sau đó đưa về 25 – 30
0
C là nhiệt độ tối thích cho quá
trình lên men xanthan gum.
Thiết bị: sử dụng thiết bị thsnh trùng dạng bản mỏng
- Bộ phận chính của thiết bị là những tấm hình chữ nhật rất mỏng, làm bằng
thép không gỉ. Mỗi tấm bảng có 4 lỗ tại 4 góc và hệ thống các đường rãnh trên khắp bề
mặt để tạo sự chảy rối và tăng diện tích truyền nhiệt.
- Khi ghép các tấm bảng mỏng lại với nhau trên bộ khung của thiết bị sẽ
hình thành nên những hệ thống đường vào và ra cho chất lỏng cần thanh trùng và chất
tải nhiệt.
2.4. Lên men
Mục đích: khai thác, vì quá trình lên men nhằm thu nhận sản phẩm trao đổi bậc 1
là polysaccharide ngoại bào của vi khuẩn Xanthomanas campestris.
Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2
20

Những biến đổi:
- Sinh học: có sự trao đổi chất giữa của vi khuẩn với môi trường trong quá
trình sinh trưởng, phát triển, số lượng tế bào vi khuẩn tăng.
- Vật lí: trong quá trình lên men toả nhiệt làm tăng nhiệt độ trong bình lên
men, do đó trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn có thải ra một phần năng lượng ra
bên ngoài dưới dạng nhiệt.
- Hoá lý: độ nhớt tăng lên do polysaccharide tạo ra ngày càng nhiều.

gia phản ứng ở dạng nucleotide – monosaccharide đã được hoạt hoá, thường là dẫn xuất
của uridin – diphosphat nhưng đôi khi cùng với nucleotide purin và pirimidin khác.
Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2
22

Bước đầu tiên của quá trình sinh tổng hợp xanthan là sự hấp thụ carbonhydrate.
Tiếp theo sau đó là quá trình phosphoryl cơ chất bằng enzyme hexokinase để có thể sử
dụng adenosine 5’ – triphosphat. Sự sinh tổng hợp có liên quan đến sự chuyển đổi cơ
chất được phosphoryl hoá thành các loại nucleotide đường khác nhau mà đòi hỏi cần có
sự tham gia của enzyme UDP – Glc pyrophosphorylase để kéo dài chuỗi
polysaccharide.
Trong X.campestris, chu trình Enter – Doudoroff cùng với chu trình tricarboxylic
acid là 2 cơ chế chủ yếu cho sự dị hoá đường glucose. Ngoài ra, một lượng nhỏ đường
glucose đi theo con đường pentose phosphat. Cuối cùng, hai hệ thống riêng biệt trên gặp
nhau, chuẩn bị cho sự hấp thụ glucose. Sinh tổng hợp xanthan, giống như hầu hết các
loại vi khuẩn sản sinh ra polysaccharide, sử dụng nhiều nguồn carbonhydrat hoạt hoá
khác nhau để tổng hợp nên polymer
Xanthan được tổng hợp bằng cách thêm lần lượt monosaccharide vào chuối
oligosaccharide từ đường nucleotide diphosphate cho đến khi tạo thành phân tử cho
isoprenoid lipid. Mạch chính của xanthan được hình thành từ sự thêm vào của D –
glucose – 1 phosphate và D – glucose từ 2 phân tử UDP – D- glucose. Sau đó, D –
mannose và D – glucoronic acid được thêm vào từ GDP – mannose và UDP –
glucoronic acid. Lần lượt nhóm O – Acetyl được vận chuyển từ acetyl – CoA đến phần
mannose còn lại.
Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2
23 Sự hình thành nên polysaccharide ngoại bào là một quá trình trùng hợp. Ngay
sau khi pentasaccharide lặp lại những đơn vị, ologomer được hình thành bằng sự vận

Marzocca và đồng sự. Một chất quan trọng khác trong việc hình thành nên tính di
truyền học của Xanthanmonas là sự có mặt của gene xanA và xanB. Những gene này
được cho là có liên quan đến sự sinh tổng hợp UDP – glucose và GDP – mannose. Gần
đây, chúng còn được cho là những gen mã hoá UDP – glucose pyrophosphorylase (cần
thiết cho sự sinh tổng hợp xanthan). Trên thực tế, qua sự phân tích về gene và sự sắp
xếp AND, có khoảng trên 20 gene thích hợp.
 Thiết bị lên men:
Xanthan là sản phẩm thương mại, được thực hiện bằng quá trình lên men tĩnh
truyền thống trong những bình lên men có động cơ khuấy (STR – stirred tank rate).
Bình lên men có cánh khuấy nhằm mục đích cung cấp oxy cho canh trường,
nhiệt độ giống cấy phải được điều khiển. Dung dịch đệm phosphate hoặc dung dịch
đệm khác phù hợp được bổ sung vào môi trường dinh dưỡng để duy trì pH ổn định của
canh trường trong khoảng 7. Bình lên men được trang bị hệ thốnh vô trùng, khuấy, điều
kiện hiếu khí, đièu chỉnh nhiệt độ, pH, bọt, mức độ hoà tan oxy. Môi trường lên men
trước khi cho vào thiết bị phải được thanh trùng. Sau đó giống vi khuẩn được cấy vào
Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 2
25

khoảng 5% - 10% thể tích môi trường. Môi trường dinh dưỡng yêu cầu phải có muối
khoáng (P, K, S, Mg, Ca…), nguyên tố vết, glucose hoặc carbohydrate, nguồn nitơ như
NH
4
Cl hoặc NH
4
NO
3
, nếu cần thiết phải bổ sung thêm các yếu tố sinh trưởng, gồm
vitamin và các acid amin cần thiết. Nguồn nitơ có thể dùng dịch chiết nấm men, dịch
men tiêu hóa…
 Thông số của thiết bị lên men tĩnh: