CHƯƠNG 1. Tổng quan về màng cellulose vi khuẩn Cellulose là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử (C6H10O5)n. Cellulose là đơn vị cấu trúc cơ bản của thành tế bào ở gần như tất cả các loài thực vật, nhiều loại nấm và một số loại tảo (Jonas và cộng sự, 1998). Nghiên cứu đầu tiên về lĩnh vực sản xuất cellulose từ vi khuẩn là trên chủng Acetobacter xylinum (A.
xylinum) được Brown công bố vào năm 1886. Các nghiên cứu khác cho thấy cellulose còn có thể được sản xuất bởi các vi khuẩn khác nhau, bao gồm cả các loài vi khuẩn gram âm như Acetobacter, Azotobacter, Rhizobium, Agrobacterium, Pseudomonas, Salmonella, Alcaligenes, vi khuẩn gram dương duy nhất sản xuất được cellulose là Sarcina ventriculi (Campano và cộng sự, 2016). Cellulose được sản xuất từ các vi khuẩn có nguồn gốc khác nhau sẽ có hình thái, cấu trúc, tính chất và ứng dụng khác nhau. Trong số các vi khuẩn có khả năng sản xuất cellulose thì Gluconacetobacter xylinus đang được sử dụng trong sản xuất cellulose thương mại do có năng xuất cao (Wang và cộng sự, 2019).
Cellulose thực vật (x200) Cellulose vi khuẩn (x20000) Hình 1. 1: Cellulose thực vật và cellulose vi khuẩn (Nguyễn, 2006) BC có độ tinh khiết cao (Jonas và cộng sự, 1998) do chúng không chứa lignin và các chất khác (Iguchi và cộng sự, 2000). Đường kính BC bằng 1/100 đường kính của PC (Yoshinaga và cộng sự, 1997) làm cho chúng có độ xốp cao hơn (Chawla và cộng sự, 2009). Ngoài ra, BC còn có độ bền kéo, khả năng giữ nước, tính ổn định đối với hóa chất và nhiệt độ cao hơn so với PC (Sun và cộng sự, 2010).
Tổng quan về Gluconacetobacter xylinus 1. Đặc điểm sinh học của vi khuẩn Gluconacetobacter xylinus Gluconacetobacter xylinus (còn được biết đến với tên gọi là Acetobacter xylinum hoặc Acetobacter xylinus) là vi khuẩn hình que, Gram âm, hiếu khí bắt buộc thuộc họ Acetobacteraceae (Yamada và cộng sự, 1997; Kersters và cộng sự, 2006). xylinus chịu được môi trường có độ acid cao, tế bào vi khuẩn đứng riêng rẽ hoặc kết hành từng chuỗi. Vì vậy, điều kiện nuôi cấy thu nhận BC có nhiệt độ từ 25 – 30 oC và pH môi trường nuôi cấy từ 3 – 7 (Nguyễn, 2006).
Trong môi trường lỏng, G. xylinus phát triển trên bề mặt môi trường, tạo thành từng lớp màng mỏng trong suốt, có độ dày khác nhau. Trên môi trường rắn, khuẩn lạc của G. xylinus có hình dạng tròn đều, đường kính trung bình khoảng 1 – 3 mm (Nguyễn, 2006).
Quá trình sinh tổng hợp BC Quá trình sinh hóa tổng hợp cellulose của G. xylinus bao gồm bốn bước chính (Ullah và cộng sự, 2016): (a) glucose được phosphoryl hóa thành glucose – 6 – phosphate; (b) glucose – 6 – phosphate được đồng phân hóa thành glucose – 1 – phosphate; (c) glucose – 1 – phosphate được chuyển thành uridine diphosphate glucose (UDP – glucose); (d) chuỗi glucan được tổng hợp từ UDP – glucose 5 do an Hình 1. 3: Con đường sinh tổng hợp BC trong G. liên kết β 1- 4 glcosidic Hình 1.
4: Cấu tạo phân tử cellulose (Salgado, 2015). Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cellulose vi khuẩn 1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cellulose vi khuẩn trên thế giới Do có nhiều ưu điểm nên hiện tại BC được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghệ thực phẩm, y tế và các lĩnh vực kỹ thuật khác. a) Thực phẩm 6 do an BC có nhiều tiềm năng trong ngành công nghiệp thực phẩm do chúng có độ tinh khiết cao, cấu trúc của BC có thể thay đổi bằng cách thay đổi thành phần của môi trường nuôi cấy.
Chúng có thể được sử dụng như là chất nhũ hóa, chất làm dày trong các sản phẩm thịt bởi vì chúng ổn định trong các điều kiện pH khác nhau. Mặt khác chúng còn được sử dụng làm vật liệu bao gói nhờ khả năng hút nước và giữ nước của chúng (Cho và cộng sự, 2012). Cellulose vi khuẩn cũng đã được sử dụng như một chất làm đặc để duy trì độ nhớt trong thực phẩm và đóng vai trò như một chất ổn định. Do có kết cấu đặc biệt và hàm lượng chất xơ cao, nó đã được bổ sung vào nhiều sản phẩm thực phẩm.
Một ví dụ cụ thể là Cellulon, một chất làm phồng được sử dụng làm nguyên liệu thực phẩm để hoạt động như chất làm đặc, cải thiện kết cấu hoặc chất làm giảm năng lượng của thực phẩm (Okiyama và cộng sự, 1992). BC được sử dụng làm nguyên liệu thô để sản xuất nata de coco (thạch dừa), một món tráng miệng truyền thống của Philippines. Một số sắc tố tự nhiên (oxycarotenoids, anthocyanin) và các chất chống oxy hóa) đã được kết hợp với BC để làm cho món tráng miệng hấp dẫn hơn (Fontana và cộng sự, 2017). Ngoài ra, BC còn được nghiên cứu để cố định vi khuẩn acid lactic sử dụng trong quá trình lên men sữa (Jagannath và cộng sự, 2010).
Một số ứng dụng khác của BC trong thực phẩm được Faezah Esa tổng hợp theo bảng (1. 1: Ứng dụng của BC trong thực phẩm (Esa và cộng sự, 2014) Vật liệu Chức năng Sản phẩm BC/nisin Bao bì thức phẩm kháng khuẩn Thịt Bao bì thực phẩm phân huỷ BC/polylysine Xúc xích sinh học BC Chất nhũ hoá Surimi Carboxymethycellulose Điều chỉnh độ nhão bột nhào Bột mì Hydroxypropyl methyl cellulose Chất cải thiện cấu trúc Whipped cream Methyl cellulose Cải thiện thời hạn sử dụng Trứng Tăng cường tính khả dụng Methyl cellulose Vitamin C sinh học b) Y tế 7 do an Ngày nay, BC đã được ứng dụng vào trong lĩnh vực y tế vì chúng có khả năng giữ nước và có tính thấm hơi nước. Khả năng giữ nước cao sẽ cung cấp không khí ẩm tại vết thương và thuốc dạng lỏng có thể được hấp thụ bởi gạc phủ BC nhằm tăng hiệu quả điều trị (Meftahi và cộng sự, 2010). Chính vì vậy, một số sản phẩm từ BC như Bioprocess, Gengiflexn đã và đang được thương mại hóa để ứng dụng trong phẫu thuật, cấy ghép nha khoa.
Một sản phẩm thương mại từ BC khác là XCell được sản xuất bởi Tập đoàn Xylos, chủ yếu được sử dụng để điều trị vết thương do loét tĩnh mạch (Meftahi và cộng sự, 2010). Mặt khác BC còn được ứng dụng để phục hồi các mô nha chu bằng cách tách các tế bào biểu mô miệng và các mô liên kết khỏi bề mặt chân răng (Jonas và cộng sự, 1998). c) Sản phẩm khác BC còn được sử dụng trong ngành công nghiệp điện tử bao gồm sản xuất điốt phát quang hữu cơ (OLED) (Vandamme và cộng sự, 1998). Một nghiên cứu khác đã sử dụng BC để cố định vi khuẩn khử nitơ là Pseudomonas stutzeri ứng dụng trong xử lý nước thải (Rezaee và cộng sự, 2008).
Ngoài ra đã có các công trình nghiên cứu chứng minh rằng BC còn được ứng dụng khá hiệu quả làm vật liệu cố định cho một số loại enzyme, vi khuẩn hay nấm men như cố định enzyme glucoamylase lên BC dạng viên (Wu và cộng sự, 2008), cố định enzyme laccase lên BC biến đổi từ tính (Drozd và cộng sự, 2018), cố định enzyme lysozyme lên BC để khảo sát tính chất (Bayazidi và cộng sự, 2018), cố định tế bào nấm men lên màng BC (Yao và cộng sự, 2011). Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cellulose vi khuẩn tại Việt Nam Hiện nay, BC là đối tượng của nhiều nghiên cứu và ứng dụng của các nhà khoa học trong nước. Để đáp ứng nhu cầu phát triển các ứng dụng mới đòi hỏi sản xuất BC phải đạt quy mô công nghiệp với nhiều yêu cầu như: Đa dạng hoá nguồn nguyên liệu ban đầu, dễ khai thác, giá thành rẻ, và tính sẵn có của nguyên liệu. Ngoài ra các chủng giống mới sẽ phù hợp hơn với mục đích sản xuất bởi chủng sẽ tạo ra BC có độ bền chắc hơn, đặc biệt là các chủng mới có thể phát triển nhanh trong các loại môi trường khác nhau.
Sàng lọc các chủng giống thích hợp với điều kiện lên men cũng là một yếu tố không kém phần quan trọng. Nghiên cứu “Chọn lọc dòng Acetobacter Xylinum thích hợp cho các loại môi trường dùng trong sản xuất cellulose vi khuẩn với quy mô lớn” của tác giả Nguyễn Thúy Hương 8 do an và Phạm Thành Hổ (2003) nhằm sàng lọc và lựa chọn dòng A. xylinum phát triển tốt trên 2 loại môi trường mật rỉ đường và nước mía. Các kết quả thu được từ 2 loại môi trường này hứa hẹn sử dụng tốt trong sản xuất BC ở quy mô công nghiệp (Nguyễn, 2003).
Mặt khác cũng với mục đích nâng cao khả năng sản xuất BC trong quy mô công nghiệp, đề tài nghiên cứu “Ảnh hưởng của nguồn cơ chất và kiểu lên men đến năng suất và chất lượng cellulose vi khuẩn” của tác giả Nguyễn Thúy Hương (2008) khảo sát khả năng lên men tạo BC từ nhiều nguồn cơ chất khác nhau. Kết quả ở nghiên cứu này cho thấy có thể sử dụng mật rỉ đường, nước mía, dịch thải trái cây trong nuôi cấy … để tạo cellulose vi khuẩn. Tác giả cũng nhận thấy khả năng tạo BC của A. xylinum giảm dần sau mỗi đợt cấy chuyền.
BC thu được ở phương pháp nuôi cấy bề mặt sẽ có các ưu điểm như khả năng giữ nước, độ chịu lực cao hơn nhiều so với phương pháp nuôi cấy chìm (Nguyễn, 2008). Đối với lĩnh vực thực phẩm, tác giả Nguyễn Thúy Hương (2008) thực hiện nghiên cứu cố định vi khuẩn A. xylinum trên chất nền có giá đỡ là BC nhằm tạo chế phẩm ứng dụng trong lên men cellulose vi khuẩn (Nguyễn, 2008). Kết quả thực nghiệm cho thấy, nồng độ chế phẩm giống là 2%, có thể tái sử dụng lên men thu nhận cellulose vi khuẩn 7 lần nhưng vẫn đảm bảo về mặt thời gian, sản lượng, chất lượng BC và hoàn toàn không có sự khác biệt so với chế phẩm dịch giống truyền thống (Nguyễn, 2003).
Ngoài ra, Nguyễn Thúy Hương và Trần Thị Tưởng An (2007) còn thực hiện nghiên cứu việc cố định tế bào vi khuẩn Lactococcus lactic trên chất mang BC để ứng dụng lên men thu nhận bacteriocin và bảo quản thịt tươi sơ chế tối thiểu. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả sử dụng chế phẩm tế bào vi khuẩn cố định trên BC để lên men thu nhận bacteriocin khá cao, có thể tái sử dụng 9 – 10 lần mà vẫn đảm bảo về mặt thời gian lên men, số lượng và chất lượng bacteriocin so với đối chứng. Thịt tươi có thể được bảo quản đến 3 ngày bằng màng BC hấp phụ dịch bacteriocin 200 AU/m vẫn đảm bảo chất lượng thịt, theo TCVN 7046:2002. Kết quả thu được cũng góp phần thăm dò 2 ứng dụng mới của BC đó là sử dụng BC làm chất mang trong kỹ thuật cố định tế bào vi sinh vật và sử dụng màng mỏng BC làm màng bao thực phẩm (Nguyễn, 2003).