CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
316
KHOA H
ỌC
NGHIÊN CỨU TẠO BỘT CELLULOSE TỪ VI KHUẨN ACETOBACTER XYLINUM ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM THỰC PHẨM CHỨC NĂNG
RESEARCH FOR CELLULOSE POWDER FROM ACETOBACTER XYLINUM BENEFITS APPLICATION AS FUNCTIONAL FOOD Nguyễn Thị Diệu Anh1, Đặng Thị Anh1, Trần Thị Minh Thu1, Nguyễn Bá Tân1, Trịnh Thị Hải Yến1, Đỗ Thị Hạnh2,* TÓM TẮT Cellulose sinh học, còn được gọi là cellulose vi khuẩn (Bacterial Cellulose-
BC)
là cellulose do vi khuẩn sinh tổng hợp. Bản chất của nó là một polysacarit mạ
ch
thẳng được hình thành nhờ các đơn phân glucose liên kết với nhau theo liên kế
t
-1,4 glycosid [1]. So với cellulose thực vật, BC có độ tinh sạ
ch cao hơn (không
chứa lignin và hemicellulose), độ bền và khả năng chịu nhiệt tốt, khả năng gi
ữ
nước và hấp thụ nước cực tốt, dễ phân hủy sinh học, tái chế hay phục hồ
toàn. Vì thế đã có nhiều nghiên cứu về ứng dụng của màng cellulose vi khuẩ
n
trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, y dược, mỹ phẩm,...
Trong bài báo này, chúng
tôi đã tiến hành nghiên cứu quá trình tạo màng và thu bột cellulose định hướ
ng
ứng dụng làm thực phẩm chức năng. Kết quả thu được gồm các điều kiện tố
i ưu
để tiến hành lên men tạo màng cellulose trên môi trường nước trà. Từ kết quảnghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo màng đã tìm ra các điều kiệ
n
thích hợp để thu màng cellulose là Bx = 12, pH = 6, thời gian 14 ngày, to sấy = 65oCtrong 48 giờ. Từ khóa: Cellulose vi khuẩn, bột cellulose, thực phẩm chức năng. ABSTRACT Biological cellulose, also known as bacterial cellulose (Bacterial Cellulose-
BC)
is cellulose biosynthesized by bacteria. Its essence is a straight-
chain
polysaccharide formed by glucose monomers linked together by -
1,4 glycosidic
bonds.[1]
Compared with plant cellulose, BC has higher purity (no lignin and
hemicellulose), good strength and heat resistance, excellent water retention and
absorption capacity, easy biodegradation, recycling or complete recovery.
Therefore, there have been many st
udies on the application of bacterial cellulose
membranes in many fields such as food, medicine, cosmetics, etc.
In this paper,
we have studied the process of film formation and cellulose powder collection,
which is oriented to be used as a functional food
. The obtained results include the
optimal conditions to conduct cellulose membrane fermentation on tea water
medium. From the results of research on factors affecting the process of film
formation, the appropriate conditions to collect cellulose films wer
e found at
Bx = 12, pH = 6, time 14 days, drying time = 65oC for 48 hours. Keywords: Bacterial cellulose, cellulose powder, functional food. 1Lớp Hóa thực phẩm 02 - K15, Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệ
p
Hà Nội 2Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: dothihanhcntp@gmail.com 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, các nghiên cứu ứng dụng cellulose sinh học bắt đầu đi dần vào cuộc sống tại Việt Nam. Nhờ khả năng hấp thụ, giữ nước cao (trên 80%), độ bền kéo đứt lớn, độ co giãn, đàn hồi tốt, là một polymer hoàn toàn không độc hại, trơ với các quá trình trao đổi chất của con người, đẹp về mặt thẩm mỹ nên ngoài thạch dừa, cellulose sinh học được tập trung nghiên cứu để làm các sản phẩm như mặt nạ dừa, miếng thấm dầu… [2]. Thực phẩm chức năng có vai trò hỗ trợ đường tiêu hóa được nhiều người tiêu dùng ưa chuộng. Cellulose là thành phần không thể thiếu trong chế độ dinh dưỡng của con người đặc biệt trong đời sống hiện đại ngày nay khi con người có xu hướng sử dụng nhiều hơn đồ ăn nhanh và thực phẩm tinh chế. Việc nghiên cứu tạo bột cellulose sinh học từ vi khuẩn Acetobacter xylinum định hướng ứng dụng làm thực phẩm chức năng đáp ứng được nhu cầu thực tiễn, hơn nữa bột BC lại dễ dàng, tiện lợi cho người sử dụng. Hiện nay, nước dừa là nguồn nguyên liệu chính dùng để sản xuất cellulose vi khuẩn ở Việt Nam và hầu hết các nước trên thế giới [3]. Tuy nhiên, giá thành của nước dừa tương đối cao. Mục tiêu của nghiên cứu nhằm tìm nguồn nguyên liệu mới góp phần thay thế nguyên liệu nước dừa. Vì vậy, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu tạo bột cellulose từ chủng Acetobacter xylinum, sử dụng môi trường nước trà định hướng ứng dụng làm thực phẩm chức năng. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu, hóa chất - Đường kính: sử dụng đường kính trắng của công ty đường Biên Hòa - Nước sạch: được cung cấp từ trong quá trình nghiên cứu tại phòng 303 - B5, Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. - Trà khô: sử dụng sản phẩm của Công ty trà Tân Cương - Giống SCOBY: được cung cấp từ trong quá trình nghiên cứu tại phòng 303 - B5, Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 317
- Các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu như Na2CO3, dung dịch crystal violet, dung dịch Lugol… sản xuất tại Trung Quốc. - Cao nấm men, agar, axit citric được sản xuất tại Đức. 2.2. Nguyên tắc - Phân lập và nuôi cấy chủng acetobacter xylinum từ hệ cộng sinh scoby. - Khảo sát quá trình lên men tạo màng cellulose tại các nồng dộ chất khô hòa tan, độ pH, thời gian nhất định. Các điều kiện phản ứng được khảo sát, cụ thể: + Độ Bx: 6, 8, 10, 12, 14 + pH: 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5 + Thời gian nuôi cấy: 7, 10, 14, 17, 20 ngày - Khảo sát điều kiện sấy thích hợp: + Nhiệt độ 65oC trong 48 giờ + Nhiệt độ 80oC trong 28 giờ + Nhiệt độ 90oC trong 24 giờ - Đánh giá chất lượng bột tạo thành. 2.3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân lập và nuôi cấy vi sinh; Phương pháp lên men tạo màng; Phương pháp phân tích; Phương pháp đánh giá cảm quan. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phân lập và nhân giống chủng acetobacter xylinum Kết quả phân lập và tiến hành các thí nghiệm sinh lý, sinh hóa: - Tiến hành nhuộm Gram thu được kết quả Gram âm như thể hiện trên hình 1. Hình 1. Vi khuẩn Gram âm theo dõi trên kính hiển vi - Cấy chủng A1 trên môi trường YPGD bổ sung bromocresol green 0,01%, chuyển màu môi trường từ xanh sang vàng. Hình 2. Môi trường YPGD có bromocresol chuyển vàng - Nhỏ dung dịch oxy già lên chủng vi khuẩn, thấy xuất hiện bọt khí. Hình 3. Xuất hiện bọt khí khi nhỏ dung dịch oxy già - Cấy chủng A1 trên môi trường YPGD có bổ sung CaCO3 0,5%, có xuất hiện vòng halo. Hình 4. Tạo vòng halo trên môi trường YPGD có bổ sung CaCO3 0,5% 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tạo màng BC 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ đường Tiến hành lên men tạo màng BC tại các độ Bx khác nhau 6, 8, 10, 12, 14 trong thời gian 7 ngày. Đánh giá sự ảnh hưởng thông qua khối lượng màng BC thu được. Bảng 1. Bảng kháo sát ảnh hưởng của nồng độ chất khô hòa tan đến khối lượng màng BC thu được sau 7 ngày Bx 6 8 10 12 14 Khối lượng màng (g)
3,39±0,03
3,6±0,05 34,69±0,05 68,88±0,06 14,6±0,02 Màu sắc Trắng Trắng Trắng Trắng Trắng Kết quả cho thấy, nồng độ đường cao làm tăng tốc độ lên men. Việc cung cấp một nguồn lượng lớn đường cho vi khuẩn Acetobacter xylinum sẽ thúc đẩy quá trình lên men và tạo màng BC nhanh hơn. Khi nồng độ đường tăng lên, màng BC có xu hướng dày hơn. Tuy nhiên, nếu nồng độ đường quá cao sẽ làm gia tăng tốc độ lên men của vi khuẩn Acetobacter xylinum ban đầu, tạo ra một lượng lớn axit acetic trong giai đoạn đầu, làm giảm pH môi trường. Khi pH quá thấp, vi khuẩn bị ức chế hoạt động và không thể tạo màng BC một cách hiệu quả [5]. Nếu nồng độ đường quá thấp, màng BC có thể trở nên mỏng và yếu. Để nhận được khối lượng màng lớn nhất, tiến hành lên men tại độ Bx = 12.
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
318
KHOA H
ỌC
3.2.2. Ảnh hưởng của pH Tiến hành lên men tạo màng tại các độ pH khác nhau, đánh giá ảnh hưởng thông qua khối lượng màng thu được sau 7 ngày. Bảng 2. Bảng khảo sát ảnh hưởng của pH đến khối lượng màng BC thu được sau 7 ngày nuôi cấy pH 4 4,5 5 5,5 6,0 6,5 m (g) x x 17,47 ± 0,02 31,19 ± 0,06 66,23 ± 0,05 58,13 ± 0,05 Màu sắc màng Trắng ngà Trắng ngà Trắng ngà Trắng ngà Kết quả cho thấy, pH quá thấp ức chế sự phát triển vi khuẩn, vi khuẩn sẽ không thể hoạt động tốt và quá trình tạo màng BC sẽ chậm hơn hoặc không thể xảy ra. pH thích hợp cho quá trình tạo màng là 6. 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian Tiến hành khảo sát khối lượng màng thu được sau 7, 10, 14, 17, 20 ngày Bảng 3. Bảng khảo sát thời gian nuôi cấy đến khối lượng màng BC thu được Thời gian (ngày) 7 10 14 17 20 Khối lượng (g) 66,88 ± 0,04 82,19 ± 0,03 132,32 ± 0,06 128,12 ± 0,06 125,43 ± 0,07 Màu sắc Trắng Trắng Trắng ngà Trắng ngà Trắng ngà Kết quả cho thấy, khi thời gian nuôi cấy kéo dài, vi khuẩn Acetobacter xylinum có thời gian phát triển và tổng hợp màng BC lâu hơn. Khối lượng màng BC tăng theo thời gian nuôi cấy [6]. Tuy nhiên, nếu thời gian nuôi cấy quá lâu vi khuẩn sẽ tiếp tục tiêu thụ đường cho đến khi nguồn đường cạn kiệt. Kết quả là, tốc độ tổng hợp màng BC sẽ giảm đáng kể hoặc ngừng hoàn toàn do thiếu chất dinh dưỡng. Màng BC thu được sẽ có khối lượng giảm, không phát triển đầy đủ và có cấu trúc không đồng nhất. Thời gian thu màng thích hợp nhất là 14 ngày. 3.3. Nghiên cứu chế độ sấy phù hợp Bảng 4. Bảng kháo sát chế độ sấy màng BC Nhiệt độ 65oC 80oC 90oC Thời gian (giờ) 48 28 24 Màu sắc bột cellulose Trắng ngà Trắng ngà vàng Trắng ngà vàng Khi sấy ở nhiệt độ 65oC, thời gian để màng BC đạt độ ẩm 7% là khá dài 48h. Ở nhiệt độ sấy 80, 90oC, rút ngắn được thời gian sấy, tuy nhiên màu của sản phẩm chuyển sang màu vàng. Chế độ sấy thích hợp là 65oC trong 48 giờ. 3.4. Đánh giá chất lượng bột BC Bảng 5. Bảng đánh giá chất lượng bột BC Chỉ tiêu Kết quả Màu sắc Trắng ngà Độ ẩm 7% Tro 0,2 Tổng vi sinh vật hiếu khí KPH Tổng bào tử nấm men, nấm mốc KPH Sản phẩm bột có độ ẩm 7%, không phát hiện tổng vi sinh vật hiếu khí, tổng nấm men nấm mốc, sản phẩm có màu trắng ngà, hàm lượng tro đạt 0,2%. 4. KẾT LUẬN Đã phân lập và nhân giống Acetobacter xylinum từ hệ cộng sinh SCOBY. Xác định điều kiện tạo màng thích hợp là nồng độ chất khô hòa tan thích hợp cho tạo màng BC là 12oBx, pH = 6 trong 14 ngày. Xác định nhiệt độ sấy màng thích hợp là 65oC trong 48 giờ. Bột BC thu được có màu trắng ngà, độ ẩm 7%, không phát hiện tổng vi sinh vật hiếu khí, tổng nấm men nấm mốc. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Prashant R. Chawla, Ishwar B. Bajaj, Shrikant A. Survase, Rekha S. Singhal, 2009, Microbial Cellulose: Fermantative Production and Applications. University of Mumbai, India. [2]. Phan Mỹ Hạnh, 2019. Xu hướng phát triển sản phẩm cellulose sinh học tại Việt Nam. Báo cáo phân tích xu hướng công nghệ, Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ, TP Hồ Chí Minh. [3]. Nguyễn Văn Thành, Nguyễn Phú Thành, Nguyễn Ngọc Thành, 2019. Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn acetobacter sp. Lên men tạo màng cellulose từ nước mía. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ. [4]. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8900-2:2012 [5]. C J. Greenwalt, K.H. Steinkraus, RA Ledford, 2000. Kombucha, the Fermented Tea: Microbiology, Composition, and Claimed Health Efects. Journal of Food Protection, New York, USA. [6]. N N I Supian, J Zakaria, K N M Amin, S Mnhamad, S F S Mohamad, 2021. Effect of fermentation period on bacterial cellulose production from oil palm frond (OPF) juice. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1092, 1, 012048.