Tài liệu tham khảo công nghệ thực phẩm môn hoá sinh 2 acid citric đặc tính, ứng dụng, tổng hợp, điều chế và chiết suất

Acid citric hay axit xitric là một axit hữu cơ yếu. Được tìm thấy chủ yếu trong các loại trái cây thuộc họ citrus (cam, quýt). Các loài chanh có hàm lượng cao acid citric; có thể tới 8% khối lượng khô trong quả của chúng (1,381,44 gam trên mỗi loại nước quả). Hàm lượng của acid citric trong quả cam, chanh nằm trong khoảng từ 0,005 molL đối với các loài cam và bưởi chùm, và tới 0,03 molL trong các loài chanh. Các giá trị này cũng phụ thuộc vào các điều kiện môi trường gieo trồng. Nó là một chất bảo quản tự nhiên và cũng được sử dụng để bổ sung vị chua cho thực phẩm hay các loại nước ngọt.

Bộ công thương Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm

Môn: Hóa sinh 2 T

Mục lục

I Tổng quan về acid citric 4

1 Acid citric 4

2 Lịch sử 4

II Đặc tính của acid citric 5

1 Cấu tạo, danh pháp 5

2 Tính chất 5

2.1 Tính chất vật lý 5

2.2 Tính chất hóa học 6

III Ứng dụng của acid citric 6

1 Acid citric tác dụng sinh lý lên cơ thể 6

2 Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm 7

2.1 Tạo vị chua 8

2.2 Cơ chế tác dụng chống vi sinh vật 8

2.3 Cơ chế tác động lên quá trình oxi hóa chất béo 8

2.4 Cơ chế tác động lên quá trính oxi hóa rau quả 12

2.5 Liều lượng sử dụng acid citric trong một số loại thực phẩm tiêu biểu 12

3 Các ứng dụng khác 13

IV Chiết suất acid citric 14

V Tổng hợp và điều chế acid citric 15

1.Nguồn nguyên liệu 15

1.1 Yêu cầu đối với nguyên liệu lên men 15

1.2 Cơ sở lý thuyết và cơ chế hình hành acid citric 15

2.Công nghệ sản xuất acid citric bằng phương pháp lên men 17

2.1 Quy trình công nghệ 17

2.2 Các phương pháp lên men acid citric 19

VI Kết luận 25

Danh mục tài liệu tham khảo 26

I Tổng quan về acid citric:

Nó là một chất bảo quản tự nhiên và cũng được sử dụng để bổ sung vị chua cho thực phẩmhay các loại nước ngọt

Trong chanh chứa hàm lượng acid citric rất cao.

2 Lịch sử:

- Vào thế kỷ thứ 8, nhà giả kim thuật JabirIbn Hayyan, người Iran đã phát hiện ra acidcitric.Các học giả thời Trung cổ tại châu Âu cũng đã nhận thức về bản chất axít của các loạinước cam, chanh; những kiến thức như thế được ghi lại trong B á c h k hoa T oàn thư t hế kỷ

13 Sp ec ulum M ajus ( Tấm gương Lớn), do i n c e n t o f BV ea u v a i sv iết

- Năm 1860, Sản xuất acid citric quy mô công nghiệp bắt đầu từ dựa trên ngành công nghiệpsản xuất các loại quả cam chanh của I t a li a

- Năm 1784, Acid citric lần đầu tiên được C a r l W i l h e lm S c h e e l e , m ột nhà hóa học người

II Đặc tính của acid citric

1 Cấu tạo, danh pháp:

- Công thức phân tử: C6H8O7 (dạng khan), C6H8O7.H2O

(monohydrat)

- Công thức cấu tạo:

Hình: Công thức cấu tạo của acid citric

Acid citric cũng hòa tan trong etanol khan tuyệt đối (76 phần acid citric trên mỗi 100 phầnetanol) ở 150C.

- Có vị chua đặc trưng

- Khối lượng phân tử: 192.13

g/mol

- Nhiệt độ nóng chảy: 1530C

- Nhiệt độ sôi: 1750C (phân hủy)

- Độ hòa tan trong nước: 133g/100ml

- Tính axit của acid citric: là do ảnh hưởng của nhóm carboxyl -COOH, mỗi nhóm carboxyl

có thể cho đi một proton để tạo thành ion citrat

- Tính đệm của các muối citrat: dùng làm dung dịch đệm rất tốt để hạn chế sự thay đổi pHcủa các dung dịch acid

- Các ion citrat: kết hợp với các ion kim loại để tạo thành muối, phổ biến nhất là muốicanxi citrat dùng làm chất bảo quản và giữ vị cho thực phẩm Bên cạnh đó ion citrat có thể kếthợp với các ion kim loại tạo thành các phức dùng làm chất bảo quản và làm mềm nước

III Ứng dụng của acid citric

1 Acid citric tác dụng sinh lý lên cơ

- Chuỗi các phản ứng hóa học này là trung tâm của gần như mọi phản ứng t r a o đ ổ i c h ấ t v à

là nguồn của hai phần ba n ă n g l ư ợ n g c ó nguồn gốc từ thực phẩm trong các sinh vật bậc cao

Nó được Ha n s A d o l f K r e bs p hát hiện Krebs đã nhận Gi ả i N o b e l S i nh lý v à Y k h o a n ăm 1953cho phát hiện này Chuỗi các phản ứng này được biết đến dưới nhiều tên gọi khác nhau,như chu trình acid citric, chu trình Krebs hay chu trình acid tricacboxylic (hay chu trình TCA)

* Một số tác dụng không mong muốn:

 Việc tiếp xúc với acid citric khô hay đậm đặc có thể gây ra kích ứng da và mắt, tiếp xúc gần với mắt có thể gây bỏng và làm mất thị giác

 Đôi khi hàm lượng quá cao acid citric có thể gây tổn hại cho tóc, do nó mở lớp cutin của tóc Nó có thể làm mất các chất cần thiết cho tóc và làm cho tóc bị bạc màu.

 Việc sử dụng quá nhiều acid citric cũng dễ làm tổn hại men răng

đồ uống, đặc biệt là các loại đồ uống nhẹ Loại acid này cũng được sử dụng trong thực phẩm

và đồ uống để kiểm soát mức độ pH (nhờ tính chất đệm của các citrat)

2.1 Tạo vị chua

- Vị chua được cảm nhận như là vị chua của ion H+, vì vậy vị chua có quan hệ mật thiết vớinồng độ của các acid Các acid khác nhau thì có độ chua khác nhau Các acid vô cơ cho vị chuamạnh hơn nhiều lần so với các acid hữu cơ

- Acid citric là một acid hữu cơ yếu được cho phép sử dụng trong thực phẩm để tạo vịchua

 Tác dụng trực tiếp: ức chế hoặc khử các hoạt tính của các enzyme, làm ngừng các phảnứng trong các quá trình trao đổi chất trong tế bào vi sinh vật.

 Tác dụng gián tiếp: làm giảm hoạt tính của nước, tạo áp suất thẩm thấu, khiến cho tếbào vi sinh vật bị mất nước và tiêu nguyên sinh Hấp thu và cố định một số kim loạilàm cho một số quá trình trao đổi chất trong tế bào bị rối loạn

Acid citric không được sử dụng trực tiếp với vai trò là chất chống vi sinh vật Nó thểhiện một số hoạt tính chống một số nấm mốc và vi khuẩn Acid citric ở nồng độ 0, 75% thểhiện khả năng ức chế nhẹ sự phát triển nhưng ức chế mạnh sự sinh tổng hợp các toxin của loàiAspergillus parasiticus Với loài Aspegillus versicolor nồng độ trên có thể kìm hãm sự pháttriển nhưng để ức chế sự sinh tổng hợp các toxin thì chỉ cần nồng độ 0, 25% Trái lại, acid citric

0, 75% không ảnh hưởng đến sự phát triển và sự tạo ra toxin của loài Penicillium expansum.Người ta nghiên cứu và thấy rằng acid citric có khả năng ức chế Samonella mạnh hơn acid

lactic và acid hydrochloric

2.3 Cơ chế tác động lên quá trình oxi hóa chất béo

 Sự oxy hóa chất béo:

Quá trình xảy ra trong sản xuất, bảo quản và chế biến thực phẩm có sự hiện diện củachất béo Sự oxy hóa chất béo là nguyên nhân hạn chế thời gian bảo quản của các sản phẩm

Sự oxy hóa chất béo không no được khởi tạo bằng việc tạo thành các gốc tự do dưới tácdụng của ánh sáng, nhiệt độ, ion kim loại và oxy Thông thường phản ứng xảy ra trên nhómmetyl cận kề với nối đôi của C=C

Cơ chế phản ứng oxy hóa chất béo xảy ra phức tạp, có thể chia thành 3 giai đoạn là:Khởi tạo, lan truyền – tạo các sản phẩm trung gian và kết thúc phản ứng

- Khởi tạo

- Lan truyền - tạo các sản phẩm trung gian

- Thành phần acid béo:

Chất béo là hỗn hợp ester của các acide béo no và không no với glycerin Sự hiện diệncủa các nối đôi, các acide béo không no dễ bị oxy hóa hơn các chất béo no Phản ứng sẽ giatăng khi tỉ lệ nối đôi càng cao

Ví dụ: tốc độ oxy hóa (tương đối) của một số chất béo tỉ lệ như sau:

Arachidonic : Linolenic : Linoleic : Oleic

Vị trí nối đôi cũng như vị trí hình học của nối đôi cũng có tác dụng đến tốc độ phản ứng.Các acid ở dạng cis bị oxy hóa nhanh hơn dạng trans Mạch acide béo có các nối đôi cộnghưởng cũng làm tăng tốc độ phản ứng Sự oxy hóa các chất béo no xảy ra rất chậm tại nhiệt độthường, tại nhiệt độ cao (chiên, xào…) sự oxy hóa chất béo no mới có thể xảy ra

* Acide béo tự do

Acide béo tự do (FFA) bị oxy hóa rất nhanh so với các ester - glycerin Khi nghiên cứuchất béo hiện diện trong thực phẩm ở giai đoạn đầu ti ên, hầu hết đều có sự hiện diện của cácchất chống oxy hóa thiên nhiên

Trong thí nghiệm nếu thêm vào 0,1% FFA thì hiệu quả chống oxy hóa của tocopherol giảm

rõ rệt vì acid béo tự do có tác dụng xúc tác quá trình oxy hóa

* Nhiệt độ

Thông thường thì sự oxy hóa chất béo gia tăng theo nhiệt độ Do sự hòa tan của oxyphụ thuộc vào nhiệt độ vì vậy tác động của yếu tố oxy trong quá tr ình oxy hóa tại nhiệt độ cao

là rất ít

Sự phụ thuộc của nhiệt độ trên quá trình oxy hóa chất béo được biểu thị bằng công thức:

Trong đó:

K: hằng số tốc độ phản ứng

A: hằng số Entropy (không phụ thuộc vào nhiệt độ)

Ea: năng lượng hoạt hóa

 Cơ chế chống oxy hóa chất béo:

Gọi AH là chất chống oxy hóa chất béo Phản ứng chống oxy hóa chất béo xảy ra theo sơ đồ sau:

Chất trợ chống oxy hóa chất béo được thêm vào để tăng hiệu quả chống oxy hóa Các chấtquan trọng thường được sử dụng là: acide citric và các ester monoglycerid citrat, acid ascorbic

Citric + chất chống oxy hóa tổng hợp

Ascorbic + tocopherol

Chất trợ chống oxy hóa chất béo có các chức năng:

- Tạo môi trường acide ổn định để chống oxy hóa chất béo

- Loại bỏ hoạt tính các ion kim loại (tạo phức vô hại)

- Loại bỏ oxy (oxy hóa ascorbic)

- Phục hồi chống oxy hóa

Cơ chế phục hồi chất chống oxy hóa

Xét cho cùng chất chống oxy hóa chất béo bằng phụ gia thực chất là:

-Ngăn chặn nguyên nhân gây ra phản ứng oxy hóa

-Ngăn chặn các phản ứng lan truyền

 Cơ chế của acid citric:

Acid citric được dùng trong quá trình sản xuất salami nhằm hỗ trợ trong quá trình acid hóa.Thông thường khi bổ sung 1g acid citric vào 1kg salami thì có thể giảm giá trị pH khoảng 0.2-0.3 đơn vị Acid citric thể hiện khả năng acid hóa salami tốt gấp 2 đến 3 lần so với GDL(glucono- delta-lactone), một hợp chất được dùng nhằm làm giảm pH của sản phẩm

Ngoài ra, acid này cũng đóng vai trò tác nhân tạo phức khi nó kết hợp với những ion kimloại nặng như Cu, Fe Những ion kim loại nặng này có khả năng tăng tốc độ phản ứng oxi hóa.Khi acid citric tạo phức với những ion trên, chúng sẽ không oxi hóa chất béo được nữa.Trong bản thân chất béo của động vật, hàm lượng ion kim loại nặng không cao, nhưngtrong những sản phẩm như xúc xích, hàm lượng này khá cao do những ion này xâm nhập từthịt trong quá trình chế biến

Tuy nhiên, chỉ bổ sung acid citric với lượng vừa đủ để tránh làm giảm pH của sản phẩm

2.4 Cơ chế tác động lên quá trính oxi hóa rau

quả

 Quá trình oxy hóa của rau quả:

Polyphenol là một nhóm hợp chất mà trong công thức cấu tạo có chứa vòng benzen và ít nhất

2 nhóm OH trở lên Lượng polyphenol có trong hầu hết các loại rau, củ, quả…, tùy theo loạinguyên liệu mà hàm lượng polyphenol sẽ khác nhau Cùng tồn tại trong nguyên liệu rau quả làenzym polyphenoloxidase Khi tiếp xúc với oxi không khí, hoạt động của enzympolyphenoloxidase sẽ được kích hoạt và trở thành xúc tác cho phản ứng oxy hóa các hợp chấtpolyphenol thành những hợp chất mới gây sẫm màu và tạo vị đắng cho rau quả

Hợp chất phenol rất dễ bị oxy hóa trong các điều kiện khác nhau Chúng có thể bị oxy hóatrong môi trường bình thường có không khí ẩm, phản ứng trở nên mạnh hơn trong môi trườngkiềm Enzym polyphenoloxidase ở thực vật có thể tồn tại ở 2 dạng: tự do và liên kết.Polyphenoloxidase là nhóm enzym oxydoreductase có nhiều trong mô động vật, thực vật, nấmmốc…

Phản ứng oxy hóa này còn gọi là phản ứng sẫm màu do enzym Trong một số sản phẩm

nó cần được hạn chế như chế biến rau, củ, quả nhưng trong chế biến chè đen thì lại cần phảigia tăng để oxy hóa tanin thành hợp chất quinol tạo màu, hương vị đặc trưng cho trà đen

 Cơ chế của acid citric

Acid citric tạo ra môi trường pH thấp làm chậm vận tốc phản ứng oxy hóa gây sẫm màu Môi

trường pH thấp cũng ức chế hoạt động của enzym oxy hóa

khử

Enzyme oxy hóa khử là một nhóm enzym, mỗi enzyme sẽ có pH tối ưu, nhiệt độ tối ưu,

… cho hoạt động tốt nhất vì vậy muốn điều chỉnh pH để ức chế hoạt động của enzym chúng tacần biết pH tối ưu của enzyme đó Cụ thể: với enzyme polyphenoloxidase có pH tối ưu trongkhoảng

6,0-7,0 _ chúng ta cần hạ thấp pH xuống dưới khoảng này sẽ ức chế được hoạt động của enzymnày Tuy nhiên, nếu hạ thấp quá cũng không tốt, pH quá thấp cũng ảnh hưởng không tốt chosản phẩm thực phẩm, làm biến đổi vị (làm chua), biến tính protein,… ảnh hưởng không tốt đếnquá trình tiêu hóa

2.5 Liều lượng sử dụng acid citric trong một số loại thực phẩm tiêu

biểu

Theo Quyết định số 3742/2001/QĐ-BYT ngày 31 tháng 8 năm 2001 của Bộ trưởng Bộ Y

tế, liều lượng sử dụng acid citric trong một số loại thực phẩm tiêu biểu với hàm lượng sau:

 Sữa lên mem (nguyên kem): 1500ML

 Sữa lên mem (nguyên kem), có xử lý nhiệt sau khi lên men: GMP

 Dầu và mỡ không chứa nước: 100ML

 Bơ và bơ cô đặc: GMP

 Rau, củ đông lạnh: GMP

 Thịt, thịt gia cầm và thịt thú tươi nguyên miếng hoặc cắt nhỏ: 2000ML

 Thức ăn cho trẻ dưới 1 tuổi: GMP

 Thức ăn bổ sung cho trẻ đang tăng trưởng: GMP

 Nước uống không cồn: GMP

2.6 Các ứng dụng khác

 Acid citric có khả năng tạo phức với nhiều kim loại có tác dụng tích cực trong xàphòng và chất tẩy rửa Bằng cách phức hóa các kim loại trong nước cứng, các phứcnày cho phép các chất tẩy rửa cho nhiều bọt hơn và sạch hơn mà không cần làm mềmnước trước Bên cạnh đó acid citric còn dùng để sản xuất các chất trao đổi ion dùng đểlàm mềm nước bằng cách tách ion kim loại ra khỏi phức citrat

 Acid citric được sử dụng trong công nghệ sinh học và công nghệ dược phẩm để thụđộng hóa các hệ thống ống dẫn cần độ tinh khiết cao (thay cho việc sử dụng axit nitric).Axit nitric bị coi là nguy hiểm và khó xử lý khi sử dụng cho mục đích này, trong khiacid citric thì không

 Acid citric là thành phần hoạt hóa trong một số dung dịch tẩy rửa vệ sinh nhà bếp

và phòng tắm Dung dịch với hàm lượng 6% acid citric sẽ loại bỏ các vết bẩn do nướccứng từ thủy tinh mà không cần phải lau chùi Trong công nghiệp nó được dùng đểđánh tan lớp gỉ trên bề mặt thép

 Acid citric được sử dụng phổ biến như là chất đệm để làm tăng độ hòa tan củaheroin nâu Các túi nhỏ chứa axít citric sử dụng một lần cũng được sử dụng như là tácnhân xui khiến để buộc những người dùng heroin phải đổi các kim bẩn của mình lấy cáckim tiêm sạch nhằm làm giảm khả năng lan truyền AIDS và bệnh viêm gan Các chấtacid hóa khác sử dụng cho heroin nâu là acid ascobic, acid xeatic và acid lastic; khikhông có chúng, những người sử dụng ma túy thường thay thế chúng bằng nước chanhhay dấm

 Acid citric là một trong các hóa chất cần thiết để tổng hợp HMTD, một chất nổnhạy nhiệt, nhạy ma sát và nhạy va chạm tương tự như axeton peroxit Vì lý do này, việcmua một lượng lớn axít citric như tại Mỹ, có thể gây nghi vấn về các hoạt động khủng

bố tiềm ẩn

 Acid citric cũng có thể thêm vào kem để giữ cho các giọt mỡ nhỏ tách biệt nhaucũng như thêm vào các công thức chế biến nước chanh tươi tại chỗ Acid citric cũngđược dùng cùng bicacbonat natri trong một loạt các công thức tạo bong bóng (bọt) khí,cho cả các dạng thực phẩm (chẳng hạn các loại bánh bột và thỏi) lẫn các dạng hóa chất

vệ sinh cá nhân

có thể

được sử dụng trong một số loại dầu gội đầu để rửa sạch các chất sáp và thuốc nhuộm từtóc.

 Acid citric cũng được sử dụng như là nước rửa lần hai (sau nước hiện hình ) trong xử

lý phim chụp ảnh trước khi dùng nước định hình Nước rửa đầu tiên thường hơi kiềmnên nước rủa có tính acid nhẹ sẽ trung hòa nó, làm tăng hiệu quả của việc rửa ảnh so vớidùng nước thường

 Acid citric cũng được dùng như là một trong các thành phần hoạt hóa trong sản xuấtcác mô kháng virus

Acid citric cũng được sử dụng như là tác nhân làm chín chính trong các công đoạn đầu tiêntrong sản xuất phó mát mozzarella

IV Chiết suất acid citric

Chanh là nguồn acid citric tự nhiên và dễ tìm thấy nhất Do giá thành cao và hiệu suất thuhồi thấp, hiện nay người ta dùng những phương pháp khác như lên men để sản xuất được acidcitric trong công nghiệp Tuy nhiên vẫn có những cách thủ công đơn giản để chiết suấtđược acid citric

Sau đây là các bước thực hiện:

Bước 1: Đổ 1 lít nước chanh vào một bình thủy tinh lớn và cho vào 1 muỗng canh canxi hidroxit Bước 2: Đun nóng bình trong lò vi sóng khoảng 1 phút Khuấy trộn dung dịch bằng cách

xoay bình trong một chuyển động tròn Lúc này acid citric sẽ chuyển hóa thành canxi citrat

Bước 3: Đặt bình vào nơi lạnh trong 5 phút để làm nguội dung dịch.

Bước 4: Lọc dung dịch qua giấy lọc Canxi citrat là phần thu được trên giấy lọc.

Bước 5: Dùng một con dao cắt bơ cạo caxi citrat.

Bước 6: Lặp lại các bước 1-5 cho đến khi thu được 100g canxi citrat.

Bước 7: Đặt canxi citrat vào một nồi nấu, đổ vào 70g acid sulfuric Nấu dung dịch đến

150F, kiểm tra nhiệt độ bằng cách dùng nhiệt kế nấu ăn

Bước 8: Đun nóng dung dịch trong 10 phút Khuấy đều dung dịch Cacbon bốc hơi và rời

khỏi acid citric

Bước 9: Để dung dịch nguội Phần còn lại của dung dịch chính là acid citric rắn.