Trong khuôn khổ Dự án Erasmus KA171 (Mã dự án: 2022-1-IT02-KA171-HED-000073309) đã diễn ra Chương trình làm việc của Giáo sư Roberto Spurio – đến từ trường Đại học Camerino, Ý với Khoa Công nghệ thực phẩm từ ngày 5/11 đến ngày 14/11/2024 tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Chiều ngày 6 tháng 11 năm 2024, Nhóm Nghiên cứu mạnh “Bảo quản và chế biến các sản phẩm có nguồn gốc thực vật” đã mời Giáo sư Roberto Spurio chia sẻ với chuyên đề “Cellulose vi khuẩn & Polymer”.
Khoa học sự sống và công nghệ sinh học là những động lực và yếu tố thúc đẩy chính cho các đổi mới dựa trên nền tảng sinh học, có tiềm năng sử dụng tài nguyên thiên nhiên một cách bền vững, bằng cách giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, bảo vệ môi trường và khí hậu, đảm bảo an ninh lương thực và duy trì khả năng cạnh tranh quốc tế. Những đổi mới này khai thác tiềm năng của các sinh vật sống từ môi trường trên cạn, dưới nước và dưới biển, các chức năng và quy trình sinh học của tự nhiên để tìm nguồn cung ứng bền vững, chế biến công nghiệp và chuyển đổi sinh khối thành vật liệu, sản phẩm, dịch vụ và hoạt động có nguồn gốc sinh học.
Giáo sư Roberto Spurio đã giới thiệu về Cellulose vi khuẩn (bacterial cellulose - BC): Cellulose, loại polysaccharide phổ biến nhất trong tự nhiên, được cấu thành từ các đơn vị β (1-4) liên kết với D-glucopyranose. So với cellulose thực vật, BC không chứa các polysaccharide khác như lignin, pectin hoặc hemicellulose (chuỗi ngắn hơn, khoảng 3.000 monome; hỗn hợp nhiều loại đường khác nhau, như xylose, arabinose, mannose, rhamnose). Đặc biệt, BC được đặc trưng bởi cấu trúc 3 chiều bao gồm mạng lưới sợi nano cellulose siêu mịn (3–8 nm). So với cellulose thực vật, BC không chứa các polysaccharide khác như lignin, pectin. Điều này mang lại cho nó khả năng giữ nước rất cao, độ đàn hồi tuyệt vời, độ bền ướt và khả năng thích ứng cao.
Cellulose vi khuẩn là một exopolysaccharide (EPS - khoảng 10.000- 15.000 monome glucose/chuỗi) lần đầu tiên được phân lập vào năm 1886. Giá trị diện tích bề mặt/thể tích cao nên là chất siêu thấm. Có nhiều nhóm –OH (thích hợp cho tổng hợp vật liệu polyme composite). Các vùng tinh thể xen kẽ với các vùng vô định hình.
Vai trò sinh học: Có thể bảo vệ từ tác hại của tia UV, có thể tạo điều kiện cho các quá trình bám dính cần thiết cho các tương tác cộng sinh hoặc truyền nhiễm (ví dụ A. tumefaciens). Một trong những EPS do Salmonella, Klebsiella, Pseudomonas tạo ra.
Quá trình tổng hợp BC được thực hiện bởi BcsA, bao gồm 8 phân đoạn xuyên màng (transmembrane segments - TM) và 2 miền tế bào chất lớn.
Mô hình đề xuất để điều chỉnh tổng hợp BC bằng Cellulose Synthase (BcsA). c-di-GMP hoạt động như một chất hiệu ứng allosteric. Nó liên kết với enzyme theo cách có thể đảo ngược và kích thích tốc độ phản ứng khoảng 200 lần.
Màng cellulose vi khuẩn được tạo ra bởi Komagataeibacter xylinus ATCC 53582 (trước đây có tên là Gluconacetobacter xylinus). Nuôi cấy ở nhiệt độ 30°C, sử dụng 100ml môi trường HS-glucose trong bình nón 250ml trong 7 ngày.
Vì K. xylinus là loại vi khuẩn hiếu khí bắt buộc nên sản lượng cellulose cuối cùng phụ thuộc rất nhiều vào tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích của môi trường nuôi cấy lỏng mà nó được nuôi cấy, cũng như hiệu quả sục khí của hệ thống.
Trong môi trường HS-glucose 50ml (môi trường Hydro-sulphyte), K. xylinus ATCC 53582 sản xuất tới 0,6 g cellulose trong 5 ngày. Vì môi trường HS-glucose 50ml chứa 1g glucose, nên sản lượng 0,6g biểu thị hiệu suất chuyển đổi glucose thành cellulose là 60%.
Thành phần hóa học của cellulose dạng gelatin: Sợi cellulose (0,9%); Nước liên kết (0,3%); Nước tự do (98,8%).
Theo quan điểm tổng hợp, việc sử dụng tinh thể cellulose dựa trên độ cứng cao của chúng, có liên quan như một chiến lược gia cố trong một số hệ thống như hệ thống hydrogel (dựa trên mạng tinh thể hoặc dựa trên silicon).
Độ bền kéo (Tensile strength – TS) là ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được khi bị kéo căng hoặc kéo dài trước khi bị đứt.
TS của sợi cellulose = 1,0 – 1,5 GPa
TS của thép nhẹ = 0,4 – 0,5 GPa
Độ bền kéo cao là do chiều dài lớn và sự căn chỉnh của các sợi nano dọc theo trục sợi, độ bền kéo cao sẽ cho khả năng tạo hình rất cao.
Màng cellulose vi khuẩn luôn duy trì được độ ẩm thể hiện sự phù hợp đáng kể với cơ thể sống, duy trì môi trường ẩm ướt (> 99% H20) và làm giảm đau ở bệnh nhân với các tổn thương da (đặc biệt đối với bệnh nhân bị bỏng).
Môi trường thường dùng trong sản xuất BC: Môi trường HS (Hestrin & Schramm, 1954) glucose - 2%, peptone - 0,5%, chiết xuất nấm men - 0,5%, disodium phosphate - 0,27%, axit xitric - 0,115%, natri hydrosulphite - 0,05% và kim loại vết, pH = 6,0. Sau khi thu được, xử lý bằng kiềm nhẹ (NaOH).
Cellulose vi khuẩn được chức năng hóa với protein tổng hợp CBD-sfGFP được chiết xuất để tạo ra quần áo làm từ cellulose. a) Chiếu sáng xuyên thấu bằng ánh sáng xanh; b) Ảnh được chụp dưới dạng ảnh ánh sáng trắng.
Điều kiện nuôi cấy và nồng độ BC đạt được bằng cách sử dụng các cấu hình Bioreactor khác nhau.
Ví dụ, thủy phân vỏ cam bằng cellulase và pectinase để sản xuất Cellulose vi khuẩn bằng cách sử dụng Gluconacetobacter xylinus. Phế phụ phẩm là vỏ cam từ các nhà máy chế biến nước ép có ít giá trị kinh tế, nhưng vỏ cam khô (độ ẩm 10%) trong đó bao gồm đường (30–40%), pectin (15–25%), cellulose (8–10%) và hemicellulose (5–7%). Do đó, vỏ cam có thể được sử dụng làm nguyên liệu trong sản xuất BC nhằm tăng thêm giá trị cho phế phụ phẩm và mang lại lợi ích cho môi trường.
BC là một chất xơ tự nhiên cao, còn được sử dụng trong sản xuất Nata, một món tráng miệng ngọt ngào của vùng Nam Á – là chất không có calo.
Trong y sinh học, Lopes và cộng sự, 2014 bổ sung Hyaluronic Axit (HA)* vào môi trường với mục đích chuẩn bị khung để tái tạo mô. Cai và cộng sự, 2011 sử dụng PHB để tẩm vào Cellulose vi khuẩn với mục đích chuẩn bị một vật liệu có độ kết tinh và độ bền kéo được nâng cao.
Lin và cộng sự, 2013 đã chuẩn bị màng BC-Chitosan và thử nghiệm mô hình trên chuột. Vết thương được điều trị với BC xử lý bằng hỗn hợp này tái sinh nhanh hơn.
Chitosan (một polycationic) là dẫn xuất deacetyl hóa của chitin, là loại polyme tự nhiên phổ biến thứ hai và có nhiều trong thành tế bào của nấm và vỏ giáp xác. Nó bao gồm Poly- (D)glucosamine.
Trong quá trình đưa thuốc qua da, màng BC có thể hoạt động song phương, để cung cấp thuốc và hấp thụ chất tiết.
Ngoài ra, Giáo sư Roberto Spurio còn giới thiệu về dextran:
Dextran là một exopolysaccharide (EPS) trung tính có khả năng phân huỷ sinh học của vi khuẩn bao gồm các tiểu đơn vị glucose lặp lại được liên kết bởi liên kết α-1, 6. Dextran đã được phân lập lần đầu tiên vào năm 1861 bởi Louis Pasteur. Dextran được tổng hợp bởi vi khuẩn axit lactic (lactic acid bacteria - LAB) hoặc các enzyme của chúng khi có mặt đường sucrose.
LAB để sản xuất dextran chủ yếu thuộc chi Leuconostoc, Weissella, Lactobacillus và Streptococcus, được phân lập từ nhiều nguồn thực vật khác nhau (ví dụ, Agave salmiana và pummelo) và từ các sản phẩm lên men. Kích thước polyme: 15 KDa – 3 MDa.
Dextransucrases của vi khuẩn nằm ở bên ngoài tế bào, chịu trách nhiệm thủy phân sucrose và trùng hợp. Trong công nghiệp, dextran thu được thông qua nuôi cấy Leuconostoc mesenteroides NRRL B512 được coi là loại vi khuẩn được công nhận chung là an toàn (GRAS) và rất ổn định. Dextran có trọng lượng phân tử thấp: nhỏ hơn 40 KDa. Dextran có trọng lượng phân tử cao: từ 40 KDa đến 400 x 106 Da. Dextran 70 nằm trong danh mục thuốc thiết yếu của WHO để thay thế huyết tương. Thuốc này được dùng để ngăn ngừa huyết khối tĩnh mạch sâu.
Dextran can thiệp vào quá trình hình thành mạng lưới fibrin, tăng cường sự phân hủy fibrin và mở rộng thể tích nội mạch.
Dextran hòa tan trong nước và hữu cơ dung môi, và tính năng này có thể được sử dụng trong việc chuẩn bị các cấu trúc khác nhau thông qua pha trộn dextran với các tác nhân hoạt tính sinh học hoặc polyme kỵ nước.
Sự quan tâm đến hydrogel dextran trong Kỹ thuật cho mô mềm đã tăng lên do những lợi ích to lớn của chúng về khả năng tương thích sinh học (và khả năng phân hủy sinh học), khả năng giảm protein không đặc hiệu, sự hấp thụ và bám dính tế bào.
Ứng dụng tiềm năng:
Ngành công nghiệp mỹ phẩm: dextran đã được sử dụng như một chất làm đặc, làm nhớt và giữ ẩm, và tính chất khử của nó cho phép nó được sử dụng như một chất chống lão hóa.
Ngành công nghiệp thực phẩm, dextran được sử dụng trong nướng bánh và bánh kẹo do tác dụng giữ ẩm, bảo quản ổn định, cải thiện hương vị, kết cấu và độ đặc của kem, đồ ngọt, bánh mì, bột mì và thạch.
Trong các sản phẩm thịt, rau và pho mát, chất này được thêm vào để làm chậm quá trình oxy hóa; do đó, nó được dùng làm chất bảo quản kết cấu, mùi thơm và hương vị.
Việc pha trộn những thứ không thể hòa tan được đang được đặt ra cho rất nhiều công nghệ. Nhũ tương có khả năng phân tán một pha trong một pha khác vì hai pha này không hòa tan vào nhau.
Dextran có thể phân hủy sinh học, không gây hại. Dùng cho các ứng dụng y sinh và mỹ phẩm.
Vật liệu nano sinh học Dextran-GRAPHENE có độ ổn định cao trong nước và được sử dụng để phủ các tấm có kích thước nhỏ hơn, với độ dày tăng lên và độ ổn định được cải thiện đáng kể trong điều kiện sinh lý bình thường, do dextran có độ hòa tan trong nước cao và giá trị pH trung tính.
Ứng dụng tiềm năng:
- Chống đông máu (cải thiện lưu lượng máu);
- Chống huyết khối (giảm độ nhớt máu và ức chế sự kết tập hồng cầu);
- Chất thẩm thấu và chất bôi trơn huyết tương tĩnh mạch;
- Chất bảo quản đông lạnh cho vắc-xin và nội tạng;
- Tái tạo tăng trưởng mô.
Có thể biến đổi về mặt hóa học để tạo thành các cấu trúc mạng hình cầu, hình ống và hình 3D. Có thể ứng dụng trong y học nano.
Các hạt nano dextran có độ hòa tan trong nước cao, khả năng vận chuyển cao (như chất mang thuốc) và có độ nhớt, thời gian bảo quản ngắn.
Năm 1878, Philippe van Tieghem (nhà thực vật học và vi sinh vật học) đã phát hiện và nghiên cứu loại vi khuẩn mà con người sử dụng để làm thực phẩm lên men trên khắp thế giới.
Leuconostoc, một loại vi khuẩn LAB, đóng vai trò tạo nên các món ăn truyền thống ở nhiều quốc gia.
Trong món ăn ngâm chua như dưa cải bắp hoặc kim chi, Leuconostoc citreus chuyển đổi đường có trong rau thành axit lactic, bảo quản chúng và tạo ra vị chua đặc trưng. Một quá trình tương tự diễn ra trong quá trình nuôi cấy khởi động để biến sữa thành kefir và tạo hương vị chua cho bánh mì đen.
Giới thiệu về Gellan gum: Gellan gum (GG) là một anion ngoại bào polysaccharide, bao gồm khoảng 60% glucose, 20% axit glucuronic và 20% rhamnose, một đơn vị lặp lại và hai nhóm acyl, axetat và glycerat liên kết với gốc glucose nằm cạnh glucuronic. Được sản xuất từ: Cây bụi; tảo nhỏ; vi khuẩn.
Trong huyết thanh người có IgM và IgG, chúng liên kết với đường này.
Trong sản xuất công nghiệp, thu được từ quá trình hiếu khí lên men sử dụng chủng vi khuẩn Gram âm Sphingomonas elodea ATCC 31461.
Ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực thẩm mỹ và lĩnh vực dược phẩm.
Là một hydrogel, có thể tiêm để phục hồi sụn bị tổn thương (trong Kỹ thuật mô và Y học tái tạo).
Nhờ cấu trúc độc đáo và đặc tính vật lý tuyệt vời, Gellan gum có nhiều ứng dụng trong thực phẩm, được dùng để ổn định, nhũ hóa, làm đặc và tạo huyền phù.
Tham dự seminar có cán bộ, giảng viên, học viên và sinh viên trong khoa Công nghệ thực phẩm. Bài chia sẻ tại Seminar đã mang tới cho người nghe nhiều thông tin mới, bổ ích cho việc giảng dạy, học tập và nghiên cứu khoa học.
Sau bài trình bày đã có nhiều ý kiến thảo luận sôi nổi xoay quanh chủ đề của báo cáo.
Một số hình ảnh tại buổi seminar
Nhóm NCM Bảo quản và chế biến các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật