Tối ưu hóa quá trình lên men tạo màng mỏng cellulose vi khuẩn có độ bền kéo cao

Nội dung bài viết là tiến hành chọn chủng Gluconacetobacter intermedius cho màng cellulose vi khuẩn (BC) có độ bền kéo cao nhất. G. intermedius được tối ưu hóa quá trình nuôi cấy thu màng mỏng BC có độ bền kéo cực đại. Tiến hành thí nghiệm tối ưu theo thiết kế bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tối ưu hóa quá trình lên men tạo màng mỏng cellulose vi khuẩn có độ bền kéo caoTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINHTẠP CHÍ KHOA HỌCHO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATIONJOURNAL OF SCIENCEKHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆNATURAL SCIENCES AND TECHNOLOGYISSN:1859-3100 Tập 14, Số 12 (2017): 172-180Vol. 14, No. 12 (2017): 172-180Email: tapchikhoahoc@hcmue.edu.vn; Website: http://tckh.hcmue.edu.vnTỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH LÊN MEN TẠO MÀNG MỎNGCELLULOSE VI KHUẨN CÓ ĐỘ BỀN KÉO CAONguyễn Thị Thu Hằng*, Nguyễn Thúy HươngBộ môn Công nghệ Sinh học - Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TPHCMNgày nhận bài: 24-3-2017; ngày nhận bài sửa: 18-5-2017; ngày duyệt đăng: 20-12-2017TÓM TẮTTừ 5 chủng vi khuẩn có khả năng tạo màng cellulose, chúng tôi đã chọn được chủngGluconacetobacter intermedius cho màng cellulose vi khuẩn (BC) có độ bền kéo cao nhất. G.intermedius được tối ưu hóa quá trình nuôi cấy thu màng mỏng BC có độ bền kéo cực đại. Tiến hànhthí nghiệm tối ưu theo thiết kế bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) – phương án cấu trúc cótâm (CCD) đã tìm được giá trị tối ưu của 4 yếu tố dinh dưỡng: Nước dừa già 89,2%, khoáng(NH4)2SO4 1,07%, (NH4)2HPO4 0,34% và glucose 5,2%, cho màng mỏng BC có độ bền kéo cực đạitheo mô hình 32,3291Gpa. Thử nghiệm nuôi cấy với điều kiện của mô hình thu được màng BC đạtđộ bền kéo 32,515Gpa.Từ khóa: Bacterial cellulose, Gluconacetobacter intermedius, Plackett-Burman, RSM-CCD.ABSTRACTOptimization of fermentation process to achieve bacterial cellulose membranewith high tensile strengthGluconacetobacter intermedius strain producing bacterial cellulose (BC) membrane withhighest tensile strength was selected from 5 bacterial strains are capable of producing cellulose. G.intermedius has been optimized of ferment to obtain a thin film BC with maximun tensile strength.Respone surface methodology – Central composite design was used to investigate the effects of fournutrition factor on tensile strength of thin film BC. The results show that: concentration of coconutwater was 89,2%, (NH4)2SO4 1,07%, (NH4)2HPO4 0,34% and glucose 5,2% for thin film BC withmaximun tensile strength of the model is 32,3291Gpa. The culture experiment with the conditions ofthe model obtained thin film BC has tensile strength of 32,515Gpa.Keywords: Bacterial cellulose, Gluconacetobacter intermedius, Plackett-Burman,RSM-CCD.1.Mở đầuCellulose vi khuẩn (BC) là một loại cellulose được tổng hợp bởi vi sinh vật, trong đóGluconacetobacter là chủng nổi bật cho khả năng tổng hợp BC với năng suất cao và ổn định.Mặc dù, có cùng công thức phân tử với cellulose thực vật (C6H10O5)n, nhưng BC có thêmcác tính chất cơ lí đặc trưng nổi bậc như: Có khả năng tạo màng mỏng, độ kết tinh cao, hấpthụ và giữ nước tốt, cường độ kéo cao và tính tương thích sinh học tốt… Do đặc tính và cấu*Email: hangnguyen9228@gmail.com172TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCMNguyễn Thị Thu Hằng và tgktrúc độc đáo của nó, cellulose vi khuẩn có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vựccông nghiệp, thực phẩm, y học... [1,2].Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà màng BC tạo thành cần được nâng cao các đặctính phù hợp. Trong đó, độ bền cơ học của màng mỏng BC là một trong những chỉ tiêu chấtlượng quan trọng để đưa màng vào hầu hết các ứng dụng [3].Trong nghiên cứu này, thiết kế Plackett-Burman và thiết kế trung tâm phức hợp(Central Composite Design – CCD) đã được sử dụng để xác định môi trường lên men tối ưucho quá trình lên men thu nhận màng mỏng BC có độ bền kéo cao. Nhằm nâng cao khả năngứng dụng của sản phẩm.2.Vật liệu và phương pháp2.1. Vật liệuGiống vi sinh vật:Vi sinh vật được sử dụng trong nghiên cứu này gồm 5 chủng giống có khả năng tạomàng cellulose có nguồn gốc từ bộ sưu tập giống của Bộ môn Công nghệ Sinh học – TrườngĐại học Bách khoa – ĐHQG TPHCM. Các chủng đã được định danh và lưu trữ trong tủđông sâu -800C.Môi trường lên men:Các môi trường lên men được điều chế từ nguồn nguyên liệu nước dừa già đã bổ sungcác chất dinh dưỡng cơ bản.2.2.Bố trí thí nghiệm2.2.1. Chọn lọc chủng giống tạo màng BC có độ bền kéo cao5 chủng: Bk1, Bk2, Bk3, Bk4, Bk5 được nuôi trên môi trường cơ bản, tỉ lệ nước dừa80%, hàm lượng ammonium sulfate (SA) 0,8%, hàm lượng diammonium phosphate (DAP)0,2%, đường glucose 2%, acid acetic 0,5%, tỉ lệ giống 10%. Lên men tĩnh trải mỏng trongkhay nhựa sau 72h, thu màng và đánh giá các chỉ tiêu: Độ bền kéo, độ đồng đều và khốilượng khô của màng.2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng đến độ bền kéo của màng BCCác yếu tố dinh dưỡng ảnh hướng đến độ bền kéo màng BC gồm 4 yếu tố: Tỉ lệ nướcdừa, nồng độ ammonium sulfate, diammonium phosphate và đường glucose. Tất cả các yếutố này được khảo sát lần lượt trong điều kiện lên men tĩnh trải mỏng. Phạm vi khảo sát đượcthể hiện trong Bảng 1. Mỗi yếu tố thực hiện khảo sát ở 4 mức và 3 lần lặp lại. Kết quả củatừng yếu tố sẽ là tâm được đưa vào thí nghiệm sàng lọc và quy hoạch thực nghiệm.173TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSPTPHCMTập 14, Số 12 (2017): 172-180Bảng 1. Phạm vi các yếu tố khảo sát khả năng tạo màng BC có độ bền kéo caoKí hiệux1x2x3x4Tên yếu tốTỉ lệ pha loãng nước dừa (%)Nồng độ khoáng SA (%)Nồng độ khoáng DAP (%)Nồng độ glucose (%)550,60,11,0Các mức khảo sát70850,81,00,20,32,03,01001,20,44,02.2.3. Sàng lọc các yếu tố bằng ma trận Plakett – BurmanThí nghiệm sàng lọc giúp chúng ta xác định được các yếu tố quan trọng có ảnh hưởngtrực tiếp tới hàm mục tiêu và loại bỏ những yếu tố ảnh hưởng không đáng kể. Ma trận Plakett– Burman được thiết kế dựa vào tâm thí nghiệm của 4 yếu tố ở thí nghiệm khảo sát. Ma trậnđược thiết kế với mức thấp (-1) và mức cao (+1) của từng yếu tố tương ứng với phạm vikhảo sát được thực hiện trong thí nghiệm khảo sát đơn yếu tố (Bảng 1) bao gồm 12 thínghiệm (Bảng 3) để sàng lọc ra các yếu tố ảnh hưởng chính đến độ bền kéo màng BC. Cácyếu tố có độ tin cậy cao (p< 0,05) sẽ được đưa vào mô ...