I MỤC LỤC MỤC LỤC 1 I NGUYÊN LIỆU 2 1) TINH BỘT 2 2) HỆ ENZYME 6 2 1) α amylase (1,4 α D glucan Glucanohydrolase EC 3 2 1 1) 7 2 2) β amylase (1,4 α glucan maltohydrolase) (EC 3 2 1 2) 8 3) NƯỚC 11 4)[.]
NGUYÊN LIỆU
TINH BỘT
Nguyên liệu để sản xuất đuờng nha là những chất giàu tinh bột Nguồn tinh bột chứa nhiều trong ngũ cốc (lúa gạo, lúa mì, khoai, ngô, đại mạch, yến mạch, ), củ (khoai tây, sắn ), và một số loài thực vật (đậu).
Hình 1 : Sự hình thành phân tử tinh bột
Phân tử tinh bột được cấu tạo từ hai thành phần chính là amylose và amylopectin.
Amylose là một polymer có cấu trúc mạch thẳng, cấu tạo từ gốc α-D- glucopyranosyl liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4-glycoside Trong cấu trúc của amylose còn có liên kết α-1,6-glycoside nhưng với hàm lượng rất nhỏ vào khoảng 0.3- 0.5%
Hình 2: Cấu tạo mạch amylose trong phân tử tinh bột
Mức độ polymer hóa thay đổi tùy theo nguồn tinh bột, như đối với lúa mì là 1000-2000, đối với khoai tây là 4500.
Phân tử lượng của amylose vào khoảng 150-750 kDa.
Amylose tồn tại ở dạng xoắn kép.
Ngoài ra trong cấu trúc mạch amylose còn chứa một lượng lipid rất nhỏ vào khoảng 0.5-1% và một ít hợp chất của Phospho và Nitơ Trong đó Phospho thường ở dạng phospholipid, còn Nitơ tham gia vào cấu trúc của enzyme.
Amylopectin là một polymer có cấu trúc mạch nhánh, cấu tạo từ các gốc α-D- glucopyranosyl liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4-glycoside và α-1,6-glycoside (khoảng 5% tổng số liên kết).
Hình 3: Cấu trúc mạch amylopectin trong phân tử tinh bột
Mức độ polymer hóa của phân tử amylopectin là khá cao, khoảng vài triệu. Phân tử lượng của amylopectin vào khoảng 10 4 -7.10 5 kDa.
Ngoài ra, trong phân tử còn chứa gốc acid phosphoric.
Phân tử amylopectin có cấu trúc xoắn kép và xếp song song nhau.
Hình dạng hạt tinh bột đa dạng (hình oval, cầu ) và có kích thước vào khoảng 2-150 àm tựy theo nguồn gốc tinh bột.
Tinh bột có cấu trúc vô định hình (trong đó có amylose và phần lớn là amylopectin) và vùng kết tinh (chủ yếu là amylopectin) Vùng kết tinh có cấu tạo chặt,khó bị thủy phân.
Hình 4: Cấu trúc vùng kết tinh và vùng vô định hình
Tính chất công nghệ và cảm quan của sản phẩm từ tinh bột được quyết định bởi:
Mức độ polymer hóa (tổng số gốc glucose tham gia tạo nên tinh bột): mức độ polymer hóa càng cao thì mạch của tinh bột càng dài và khối lượng phân tử càng cao
Mức độ phân nhánh (tức là số liên kết α-1,6 so với liên kết α-1,4): mức độ phân nhánh càng cao thì cấu tạo của phân tử tinh bột càng phức tạp, làm tăng độ nhớt và độ dai cho sản phẩm.
Ở đây, nguồn nguyên sử dụng là gạo, vì ở Việt Nam, gạo là 1 nguyên liệu phong phú.
- Hạt tinh bột cú hỡnh dạng đa giỏc đặc trưng và cú kớch thước 2-10 àm (kớch thước nhỏ nhất trong các hạt lương thực).
- Thành phần glucid chiếm khoảng 75 % khối lượng, chủ yếu tập trung ở nội nhũ Chủ yếu là saccharose, một ít đường glucose, fructose và rafinose.
- Hàm lượng protein trong tinh bột gạo không cao và thay đổi trong khoảng rộng 4.3-18.2 %, trong đó glutelin chiếm đa số (gọi là oryzenin).
- Nhiệt độ hồ hóa là 70- 80 o C.
Ngoài ra, ta cũng có thể dùng các loại nguyên liệu khác:
Giống hạt Protein Tinh bột
Pentose và các carbohydrat khác
- Hạt tinh bột cú dạng hỡnh cầu, hỡnh bầu dục với đường kớnh 10-40 àm Cấu trúc hạt tinh bột có 26 % là amylose.
- Tinh bột chiếm 50-73 % khối lượng
- Trong hạt tồn tại hai enzyme α và β-amylase Trong đó, β-amylase thủy phân 60% tinh bột thành đường maltose.
- Thành phần tinh bột trong ngô chiếm từ 60-70 % khối lượng, trong đó amylose chiếm 28% lượng tinh bột Thành phần amylose có thể lên đến 70% đối với loại ngô giàu amylose và cũng có thể là 0% đối với loại ngô nếp.
- Kớch thước hạt tinh bột vào khoảng 5-25 àm.
- Thành phần đường chiếm 1-3 %, cơ bản là đường D-glucose, D-fructose và saccharose.
- Nhiệt độ hồ hóa tinh bột là 55-67.5 o C.
- Hàm lượng tinh bột chiếm 55.8-68.3 % khối lượng cấu trúc hạt tinh bột giống cấu trúc tinh bột gạo.
- Kớch thước hạt tinh bột 2-5 àm.
- Nhiệt độ hồ hóa thấp là 55 o C khi nồng độ là 50 %.
- Sắn là cây lương thực ưa ấm và ẩm, mọc ở nhiều nước nhiệt đới Sắn là loại tương đối dễ trồng và có thể sinh trưởng trên nhiều loại đất.
- Thành phần hóa học củ sắn tươi có thể là: tinh bột 20-34 %, protein 0.8-1.2 %, chất béo 0.3- 0.4 %, xellulose 1-3 %, tro 0.54 %, polyphenol 0.1-0.3 %, nước 60-74.2 %.
- Kớch thước hạt tinh bột 5- 40 àm.
- Tinh bột sắn xốp hơn tinh bột ngô và có hàm lượng amylose 8-29 %.
- Độ nhớt của tinh bột sắn ít hơn của khoai tây, nhưng lớn hơn ngô.
HỆ ENZYME
- Hệ enzym sử dụng trong quá trình sản xuất đường nha là hệ enzym thủy phân tinh bột (chủ yếu là amylase gồm có α-amylase, β-amylase, ngoài ra còn có maltase, sitase, invertase )
- Hiện nay có 6 loại amylase, và được chia làm 2 nhóm endoamylase (enzyme nội bào) và exoamylase (enzyme ngoại bào) Endoamylase gồm có α-amylase và nhóm khử nhánh Exoamylase gồm có β-amylase và γ-amylase Các loại amylase khác nhau có đặc tính thủy phân khác nhau.
Hình 5: Hoạt động của các enzyme amylase khác nhau trên phân tử tinh bột
AA-α-amylase (Endo 1,4-α-D-glucan glucanohydrolase)
GA-glucoamylase (Exo 1,4-α-D-glucan glucanohydrolase)
BA-β-amylase (Exo 1,4-α-D-glucan maltohydrolase)
PA-Pullulanase (Endo α-dextrin 6-glucanohydrolase)
RE-đầu khử, NRE-đầu không khử
F-α-1,6- liên kếtglucoside, G-α-1,4- liên kết glucoside
2.1) α-amylase : (1,4-α-D-glucan Glucanohydrolase EC 3.2.1.1) Đây là một endoenzyme, xúc tác thủy phân liên kết α-1,4-glycoside trong phân tử amylose và amylopectin Phân tử lượng của enzyme nằm trong khoảng 45-60 kDa tùy theo nguồn thu nhận.
Cơ chế tác dụng của enzyme: α-amylase có khả năng phân cắt các liên kết α-1,4-glycoside của cơ chất một cách ngẫu nhiên Enzyme này trước tiên thủy phân tinh bột tạo ra các dextrin phân tử lượng thấp, sau đó enzyme này tiếp tục phân hủy các dextrin này tạo ra maltose và glucose. Khả năng dextrin hóa cao của α-amylase là tính chất đặc trưng của nó Vì vậy người ta còn gọi enzyme này là amylase dextrin hóa hay amylase dịch hóa. Đặc tính:
Protein của α-amylase có tính chất của globulin, có tâm hoạt động là nhóm –COOH, – NH3
Tất cả các α-amylase thu được từ các nguồn khác nhau đều là metalloenzyme Người ta tìm thấy ion Calci trong phân tử enzyme này Do đó, trong quá trình thủy phân tinh bột, người ta thường bổ sung ion Calci vào để ổn định hoạt tính của enzyme Ở nhiệt độ cao, hoạt tính của enzyme α-amylase được duy trì nhờ ion Calci Tuy nhiên, đối với α- amylase bền nhiệt thu được từ vi khuẩn B.licheniformis, nhu cầu về ion Calci ở mức tương đối thấp Điều kiện hoạt động của enzyme này từ các nguồn khác nhau thì không giống nhau. Độ bền của α-amylase phụ thuộc vào nhiệt độ và pH pH tối thích của enzyme là 5.3-5.8. Nhiệt độ tối thích là 70-75 o C α-amylase có nguồn gốc từ vi khuẩn là enzyme ngoại bào và hoạt động ở vùng pH trung tính Tuy nhiên, pH tối ưu của enzyme này từ vi khuẩn B.stearothermophilus phụ thuộc vào nhiệt độ Chế phẩm α –amylase từ vi khuẩn này rất bền nhiệt, nó vẫn có khả năng xúc tác phản ứng thủy phân ngay cả ở nhiệt độ 100 o C Còn của vi khuẩn Bacillus spp có thể hoạt động tại pH cao 9.0 và 11.
Chế phẩm α-amylase từ hai loài B.stearothermophilus và B.licheniformis chịu nhiệt nên hiện nay đang được sử dụng nhiều trên thị trường thế giới do hoạt tính của nó vẫn duy trì trong giai đoạn dịch hóa và hồ hóa tinh bột ở nhiệt độ cao Vì thế làm tăng hiệu quả kinh tế và rút ngắn thời gian sản xuất.
2.2) β-amylase : (1,4-α-glucan-maltohydrolase) (EC 3.2.1.2) β-amylase phổ biến ở thực vật, đặc biệt là các hạt nảy mầm Đây là enzyme ngoại bào (exoenzym) Enzyme này có hoạt tính tốt nhất khi thu nhận từ vi khuẩn Clostridium thermosulfurogenes và B.polymyxa.
Cơ chế tác dụng của enzyme: β-amylase xúc tác thủy phân liên kết α-1,4-glycoside, cắt từng nhóm maltose từ đầu không khử của mạch phân tử tinh bột, nhưng khi gặp liên kết α-1,4-glycoside đứng kế cận liên kết α-1,6-glycoside thì enzyme ngừng tác dụng.
Tinh bột maltose (54-58%) + β-dextrin (42-46%) Đặc tính: β-amylase là một albumin, tâm xúc tác có nhóm –SH, -COOH và vòng imidazol của gốc histidine và exoenzyme.
Enzyme này không bền khi có mặt ion Calci và bị kìm hãm khi có mặt ion đồng, ion thủy ngân, urea β-amylase bền acid nhưng chịu nhiệt kém hơn α-amylase pH tối thích là 5.2-5.6.
Nhiệt độ hoạt động tối thích của enzyme là 60-65 o C
Sự khác nhau giữa α-amylase và β-amylase khi xúc tác thủy phân tinh bột: β-amylase hầu như không thủy phân các hạt phân tử tinh bột nguyên vẹn nhưng nó phân hủy hồ tinh bột rất mạnh. β-amylase phân giải 100 % amylose thành maltose β-amylase phân giải 54-58 % amylopectin thành maltose. β-amylase không bền khi có ion Calci. β-amylase chịu nhiệt kém hơn α-amylase nhưng bền acid hơn β-amylase bị vô hoạt ở
Nguồn enzyme amylase thu nhận từ vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, làm tăng hiệu quả của quá trình Tuy nhiên, trong đa số trường hợp, nguồn enzyme thu nhận được từ vi khuẩn có khả năng bền nhiệt cao hơn cả.
Termamyl 120L: đây là 1 chế phẩm enzyme α- amylase chịu nhiệt, pH trung tính ở dạng lỏng, được sản xuất từ dịch nuôi cấy vi khuẩn Bacillus lischeniformis trong phân tử có ion Ca 2+ Nhiệt độ dịch hóa là 90- 105 0 C, và hoạt động ổn dịnh ở nhiệt độ này nếu có 50- 70 ppm Ca 2+
Fungamyl 800L: chế phẩm enzyme α- amylase từ nấm mốc Aspergillus
Oryzae, dạng lỏng, chế phẩm này cắt liên kết α- 1,4 glucozit trong phân tử amylase va amylopectin của tinh bột hoặc dextrin, oligosacarit của dịch Kết quả là 1 lượng β -amylase lớn maltose được tạo thành Chế phẩm này được cho thêm vào trong quá trình nấu ở nhiệt độ 55- 60 0 C, pH = 4- 5 để tăng khả năng đường hóa.
Bảng 2: Enzyme Amylase từ các nguồn vi sinh vật
Vi sinh vật Enzyme Tác dụng
Aspergillus awamori Glucoamylase α -Glucosidase Exo
Bảng 3: Đặc tính enzyme từ một số nguồn vi sinh vật khác nhau
Enzyme Nguồn enzyme Khoảng pH
Chất hoạt hóa α-amylase nấm sợi
6 – 7 60 – 80 Ca 2+ α-amylase vi khuẩn chịu nhiệt
NƯỚC
Yêu cầu về nước dùng để pha chế môi trường dinh dưỡng:
- Nước dùng trong chế biến phải là nước sạch và mềm Các chỉ số quan trọng của nước là: độ cứng, độ oxy hóa và vi sinh vật.
- Độ cứng thể hiện ở ion Ca 2+ và Mg 2+ trong nước Các muối bicarbonate của 2 ion này tạo nên độ cứng tạm thời cho nước, khi đun sôi chúng tạo thành dạng carbonate và lắng cặn dưới đáy Còn các muối của các ion này như: Cl - , SO4 2-, NO3 - thì tạo nên độ cứng vĩnh cửu cho nước và không thể mất đi trong quá trình gia nhiệt cho nước Độ cứng của nước tính bằng mg-đương lượng cho một lít nước.
1 mg đương lượng = 20.04 mg Ca 2+ hoặc 12.16 mg Mg 2+ /l
- Độ oxy hóa thể hiện bằng số mg O2/l.
- Chỉ số vi sinh vật cho biết mức độ nhiễm bẩn của nước, được thể hiện bằng tổng số vi sinh vật và lượng vi khuẩn đường ruột có trong một lít nước mà tiêu biểu là vi khuẩn E.coli
- Nước dùng trong chế biến phải đạt tiêu chuẩn làm nước uống và không có mùi vị, không màu, trong suốt và đặc biệt là không có sắt và mùi amoniac, không có các kim loại nặng.
- Nước phải đạt chỉ tiêu sau đây mới được dùng trong quá trình chế biến:
Độ cứng chung (mg – đương lượng) ≤ 7
Hàm lượng muối carbonate ≤ 50 mg/l
Hàm lượng muối Mg ≤ 100 mg/l
Hàm lượng muối clorua: 75 – 150 mg/l
Hàm lượng muối CaSO4: 130 – 200 mg/l
Các muối có gốc NO3 -, NO2 -: không có
Vi sinh vật ≤ 100 tế bào/1 cm 3
- Nước không đạt yêu cầu, trước khi đưa vào chế biến cần phải lọc qua cát sỏi,phùn mù để khử sắt và làm mềm nước bằng cách hấp phụ qua nhựa trao đổi ion.
CHẤT ỔN ĐỊNH HOẠT TÍNH ENZYME
- Cần bổ sung thêm nguồn Canxi để làm chất ổn định hoạt tính α - amylase thủy phân Thông thường, ta sử dụng nguồn CaCl2 hoặc Ca(OH)2
QUY TRÌNH CHẾ BIẾN
QUI TRÌNH 2
Trao đổi ion Dịch hóa
Gạo α-amylase bền nhiệt, nước,
2.2) Giải thích quy trình: Ở qui trình 2, ta thay quá trình tẩy màu bằng quá trình trao đổi ion.
- Mục đích: chuẩn bị và hoàn thiện.
+ Chuẩn bị: cho quá trình cô đặc tiếp theo.
+ Hoàn thiện chất lượng sản phẩm, loại bỏ các chất không tốt cho sàn phẩm.
+ Cảm quan: dịch nha sẽ trong hơn.
+ Hóa lý: các chất màu, chất mùi, protein, các tạp chất tích điện sẽ bị giữ lại trên các cationit và anionit.
- Thực hiện và thông số công nghệ:
Sau khi đường hóa, cho dịch nha đi qua thiết bị trao đổi cation và trao đổi anion. Bản chất của phương pháp là sự tương tác giữa dịch nha với pha rắn có chứa sẵn các ion, có thể đổi chỗ với cá ion có trong nguồn dịch cần xử lý.
Trao đổi cation dùng các hạt nhựa polystyrene- divinylbenzen có gắn 1 số ion dương, như H + , - SO3H, -COOH, -OH gọi là cationit
Trao đổi anion dùng các hạt nhựa trên nhưng gắn vào đó 1 nhóm amin, gọi là anionit.
Ngoài tính chất trao đổi ion dương và âm ( tạp chất) trong dung dịch, các chất trao đổi ion dùng trong công nghiện này còn có tính hấp phụ, hấp phụ tốt các aminoacid, furrurol, những hợp chất hữu cơ khác, khả năng tách màu tăng lên.
- Thiết bị: thiết bị trao đổi ion. Đây là 1 thùng hình trụ, có đáy đĩa, chịu áp lực và có các công tắc khác Chiều cao tầng nhựa từ 1- 1.5m.
Hướng chuyển động của dung dịch từ trên xuống, nhựa như là 1 tấm đệm, cách đơn giản nhất để đỡ tầng nhựa là đổ đầy cát vào đáy của thùng Đồng thời, lớp cát này có chức năng hạn chế sự chảy trôi của các hạt nhựa trao đổi ion theo dòng ra của dịch nha đã qua xử lý.
Hình 15: Thiết bị trao đổi ion.
SO SÁNH 2 QUI TRÌNH
2 qui trình đưa ra, chỉ khác nhau ở quá trình tẩy màu, ở giai đoạn hoàn thiện sản phẩm và chuẩn bị cho quá trình cô đặc.
Tẩy màu bằng than hoạt tính Tẩy màu bằng trao đổi ion
Sau khi dùng than hoạt tính, phải có quá trình lọc để tách tạp chất và than.
Không cần có quá trình lọc.
Than hoạt tính, là chất dễ kiếm, rẻ tiền.
Nhựa có gắn các chất trao đổi ion với dịch nha, đắt tiền hơn.
Cồng kềnh hơn, do có thêm thiết bị lọc; nhưng thiết bị ít
Chỉ cần 1 thiết bị là hoàn thành quá trình tẩy màu, thiết tiền hơn bị tốn kém hơn.
Tốn kém hơn, do ta phải tốn năng lượng để tăng và giữ nhiệt độ cao trong suốt quá trình thực hiện, năng lượng để vận chuyển dịch qua thiết bị lọc. Ít tốn kém hơn.
Do nhiệt độ cao hơn, nên sản phẩm có thể bị ảnh hưởng, màu có thể bị sậm hơn, khả năng có cặn còn sót lại trong dịch là cao hơn.
Chất lượng dịch nha là tốt hơn: tạo độ trong và tinh khiết cao hơn so với phương pháp dùnh than hoạt tính.
Tổn thất nhiều hơn, do dịch đượcvận chuyển nhiều lần, lọc cũng làm thất thoát 1 lượng dịch nha.
Tăng hiệu suất thu hồi, tổn thất giảm thiểu tối đa.
TIÊU CHUẨN CHO SẢN PHẨM ĐƯỜNG NHA
Chỉ tiêu sản phẩm của ISO:
+ Dịch nha, lỏng, sánh, đồng nhất, không có tạp chất.
+ Dịch nha trong suốt, không màu hay có màu vàng nhạt.
+ Vị ngọt nhẹ, đặc trưng, và không có mùi lạ.
- Chỉ tiêu hóa lý và vi sinh:
Chỉ tiêu của nhà máy bánh kẹo BIBICA:
+ Tổng số vi khuẩn hiếu khí: 104 khuẩn lạc/g.
+ Tổng số nấm men, nấm mốc: 100 khuẩn lạc/g.
+ DE (hàm lượng đường khử tính trên % chất khô) : 50 – 75
+ Bx (hàm lượng chất khô ở 20 0 C) : 74 – 82
+ pH (dung dịch mẫu 50% mẫu) : 4,5 - 6.0
Chỉ số DE ở đây có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của khách hàng.
THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ
Phương pháp sản xuất đường nha có nồng độ maltose cao
Với đặc trưng sản phẩm có độ ổn định cao, độ nhớt thấp, vị ngọt thanh, hàm ẩm thấp và là loại đừơng mà cả những người bệnh tiểu đường cũng sử dụng được, đường nha có nồng độ maltose cao ngày càng được nhiều nhà sản xuất quan tâm để đưa ra phương pháp sản xuất hiệu quả nhất.
Tinh bột sẽ được đem đi hồ hoá và dich hoá với sự bổ sung chế phấm TERMAMYL120L ở pH 5.7- 6.5 trong khoảng 1- 2h đến khi dịch thuỷ phân có DE