Hoàn thiện công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất sirô fructoza 42 % để sử dụng trong công nghiệp thực phẩm

Phương pháp đồng phân hoá tạo ra sản phẩm cuối cùng là fructoza với hàm lượng 42- 45 % thích hợp cho việc ứng dụng trong công nghệ nước giải khát, bánh kẹo, kem, sữa… Hàng năm, trên thế

-BỘ KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT LIÊN HIỆP CÁC HỘI

VIỆT NAM

Chương trình:“ Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ

phục vụ công nghiệp hoá,hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn”, mã số: KC07/ 06-10

BÁO CÁO TỔNG KẾT

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

DỰ ÁN SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM

Dự án: “Hoàn thiện công nghệ và hệ thống thiết bị

sản xuất sirô Fructoza 42%

để sử dụng trong công nghiệp thực phẩm”

Mã số: KC 07 DA09/ 06 - 10

Tên cơ quan chủ trì: Trung tâm Công nghệ thực phẩm

và Công nghiệp môi trường

Chủ nhiệm Dự án: PGS TS Ngô Tiến Hiển

8198

-MỞ ĐẦU

Trên thế giới, công nghệ thuỷ phân tinh bột bằng enzym phát triển đã cho phép điều khiển được quá trình thuỷ phân tinh bột, tạo ra các loại tinh bột biến tính, maltodextrin, sirô khác nhau như: Maltoza, glucoza, fructoza Sản xuất sirô fructoza bằng phương pháp enzym qua ba giai đoạn chính Trước tiên, sử dụng α- amylaza để dịch hoá tinh bột, enzym glucoamylaza để đường hóa, cuối cùng

sử dụng glucoizomeraza để đồng phân hoá glucoza thành fructoza Phương pháp thuỷ phân tinh bột bằng enzym đã thu được hiệu suất chuyển hoá cao (> 95 % so với lý thuyết), độ phân cắt chính xác, giảm tạp chất trong sản phẩm Phương pháp đồng phân hoá tạo ra sản phẩm cuối cùng là fructoza với hàm lượng 42- 45

% thích hợp cho việc ứng dụng trong công nghệ nước giải khát, bánh kẹo, kem, sữa… Hàng năm, trên thế giới khoảng 40 triệu tấn sirô fructoza đã được sản xuất, trong đó có tới 50 % sản lượng fructoza được sử dụng để sản xuất nước giải khát như: Cocacola, Pepsicola, nước quả tươi, nước giải khát…

Ở Việt Nam, các kết quả nghiên cứu về công nghệ còn hạn chế ở quy mô phòng thí nghiệm, chưa có cơ sở nào sản xuất sirô fructoza, nguồn nguyên liệu tinh bột sắn nhiều và rẻ hơn các loại tinh bột khác Đến nay vẫn chưa hình thành ngành công nghiệp sản xuất sirô fructoza Nhiều nhà máy, xí nghiệp sản xuất nước giải khát, sữa và các sản phẩm của sữa, bánh kẹo… có nhu cầu sử dụng sirô fructoza phải nhập khẩu Đó là những yếu tố thuận lợi về thị trường nguyên liệu và sản phẩm đồng hành cùng với nhu cầu nghiên cứu và phát triển sản xuất sirô fructoza

Xuất xứ của dự án là đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Nhà

nước: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ enzym trong chế biến một số nông

sản thực phẩm” thuộc Chương trình nghiên cứu khoa học và phát triển công

nghệ sinh học cấp Nhà nước giai đoạn 2001- 2004, mã số KC 04- 07 do PGS.TS

Ngô Tiến Hiển, nguyên Viện trưởng Viện Công nghiệp thực phẩm làm Chủ nhiệm đề tài Đề tài đã tập hợp 16 nhà khoa học, các giáo sư, tiến sỹ, trên 100 cán bộ khoa học có trình độ đại học, trên 10 doanh nghiệp tham gia Đề tài đã đạt được một số kết quả: Xác định 22 qui trình công nghệ, xây dựng 5 mô hình thiết

bị, tạo ra 27 sản phẩm hàng hoá, 12 chủng vi sinh vật mới và tái tổ hợp ADN, nghiên cứu sinh tổng hợp, thu nhận, ứng dụng 6 nhóm enzym, có 46 công trình công bố, tham gia đào tạo 8 tiến sỹ, 4 thạc sỹ, trên 200 kỹ sư, có 4 hồ sơ đăng ký giải pháp hữu ích, có 10 hợp đồng chuyển giao công nghệ trị giá 1.353 triệu đồng Đề tài đã được nghiệm thu cấp Nhà nước ngày 05-5-2005, đạt loại A theo quyết định số 213/ QĐ- BKHCN ngày 16-02-2006 và được Bộ Khoa học và Công nghệ tặng Bằng khen và giấy Chứng nhận kết quả nổi bật theo Quyết định số: 2799/ QĐ- BKHCN, ngày 25-12-2006

Một trong số các kết quả đạt được của đề tài này là nghiên cứu công nghệ

và thiết bị sản xuất fructoza 42% từ glucoza bằng công nghệ enzym Tổng khối lượng sản phẩm các đợt thí nghiệm cộng lại đạt 2000kg Tuy nhiên, về công nghệ thì chưa xác định được các điều kiện tối ưu trong sản xuất thử nghiệm quy

mô công nghiệp, về thiết bị còn ở mức độ thô sơ, chưa kiểm soát, điều chỉnh được các thông số kỹ thuật như nhiệt độ, pH, lưu lượng dòng chảy, sản phẩm fructoza 42% chưa trở thành hàng hoá, chất lượng sản phẩm chưa cao, chưa ổn định, thị trường chưa chấp nhận, chưa xác định được hiệu quả kinh tế, chưa đăng

ký được tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm, chưa bảo hộ giải pháp hữu ích, chưa phát triển được các sản phẩm thực phẩm ứng dụng fructoza 42%, chưa phát triển được thị trường tiêu thụ sản phẩm…

Thực hiện dự án: “Hoàn thiện công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất

sirô fructoza 42% để sử dụng trong công nghiệp thực phẩm” nhằm mục tiêu

và các nội dung chủ yếu sau đây:

Mục tiêu

1 Nâng cao giá trị chế biến tinh bột sắn, nhân rộng mô hình chuyển giao công nghệ, ổn định và nâng cao chất lượng fructoza ở quy mô công nghiệp bằng công nghệ enzyme

2 Có được công nghệ và hệ thống thiết bị hoàn thiện để sản xuất sirô fructoza 42% quy mô công nghiệp, sản phẩm được thương mại hoá trong công nghiệp thực phẩm

1.4 Sản xuất thử nghiệm sirô fructoza liên tục trong các điều kiện tối ưu

1.5 Xác định hiệu suất tổng thu hồi sản xuất sirô fructoza từ sirô glucoza

1.6 Sử dụng bao bì, bảo quản và phương án vận chuyển sirô fructoza 42%

2 Nghiên cứu hoàn thiện 16 quy trình công nghệ

2.1 Quy trình công nghệ làm sạch nguyên liệu

2.2 Quy trình công nghệ tẩy trắng nguyên liệu glucoza

2.3 Quy trình công nghệ hồ hóa

2.4 Quy trình công nghệ dịch hóa

2.5 Quy trình công nghệ đường hóa

2.6 Quy trình công nghệ đồng phân hóa gián đoạn bằng công nghệ enzym

2.7 Quy trình vệ sinh và bảo dưỡng thiết bị hồ hoá, dịch hoá, đường hoá quy mô sản xuất công nghiệp 30 tấn/ ngày

2.8 Quy trình phân tích kiểm tra, đo lường, chất lượng nguyên liệu

2.9 Quy trình phân tích kiểm tra, đo lường, chất lượng bán thành phẩm và sản phẩm 2.10 Quy trình công nghệ làm sạch nguyên liệu sirô glucoza

2.11 Quy trình công nghệ đồng phân hóa liên tục bằng công nghệ enzym

2.12 Quy trình công nghệ bảo quản enzym

2.13 Quy trình công nghệ cô đặc sirô fructoza 42 %

2.14 Quy trình công nghệ bảo quản sản phẩm

2.15 Quy trình vận hành hệ thống thiết bị hồ hoá, dịch hoá và đường hoá quy

mô sản xuất công nghiệp 30 tấn/ ngày

2.16 Quy trình công nghệ vận hành, vệ sinh và bảo dưỡng hệ thống thiết bị đồng phân

3 Xây dựng 6 tài liệu, đào tạo, hướng dẫn và tư vấn kỹ thuật

3.1 Tài liệu đào tạo công nghệ vi sinh trong công nghiệp thực phẩm

3.2 Tài liệu đào tạo về công nghệ enzym trong công nghiệp thực phẩm

3.3 Tài liệu đào tạo về công nghệ sản xuất sạch hơn trong công nghiệp thực phẩm 3.4 Tài liệu hướng dẫn, tư vấn đầu tư công nghệ và thiết bị giảm thiểu ô nhiễm môi truờng trong công nghiệp đường bột

3.5 Tài liệu hướng dẫn, tư vấn đầu tư một số giải pháp về công nghệ và thiết bị sản xuất sạch hơn trong công nghiệp đường bột

3.6 Tài liệu hướng dẫn, tư vấn đầu tư xử lý chất thải trong công nghiệp đường bột

4 Xây dựng mô hình thiết bị đồng bộ sản xuất sirô fructoza 42%

5 Xây dựng 2 bảng tiêu chuẩn chất lượng

5.1 Bảng tiêu chuẩn chất lượng enzym dịch hoá, đường hoá và đồng phân hoá

5.2 Bảng tiêu chuẩn chất lượng nguyên liệu tinh bột, nguyên liệu đồng phân hoá (glucoza), sản phẩm fructoza 42 % và đăng ký tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm

6 Sản xuất thử nghiệm sản phẩm hàng hoá sirô fructoza 42 %

7 Ứng dụng sirô fructoza 42 % trong công nghiệp thực phẩm (6 sản phẩm ứng dụng)

7.1 Ứng dụng fructoza 42 % trong công nghiệp sản xuất sữa

7.2 Ứng dụng fructoza 42 % trong công nghiệp sản xuất bánh tươi hoặc bánh quy 7.3 Ứng dụng fructoza 42 % trong công nghiệp sản xuất kem

7.4 Ứng dụng fructoza 42 % trong công nghiệp sản xuất kẹo

7.5 Ứng dụng fructoza 42 % trong công nghiệp sản xuất đồ uống

7.6 Ứng dụng fructoza 42 % trong sản xuất thực phẩm chức năng

8 Các sản phẩm khoa học và công nghệ khác

8.1 Đào tạo sau đại học 8.2 Bảo hộ Giải pháp hữu ích 8.3 Công trình công bố

8.4 Tham gia Hội chợ Asean 5+3, Hội thảo Quốc tế, ký hợp đồng nguyên tắc và chuyển giao công nghệ

` 9 Đánh giá hiệu quả kinh tế, xã hội và môi trường

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Sắn và tinh bột sắn

1.1.1 Vài nét về cây sắn

Cây sắn, còn gọi là cây khoai mì (Manihot esculenta Crantz), tiếng Anh là

cassava hay còn gọi là tapioca hoặc manioc, là một trong số những loại cây có củ được trồng ở hơn 80 quốc gia có khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm trên thế giới Đây là cây lương thực và thực phẩm có hàm lượng tinh bột cao Đối với nhiều người dân ở vùng nhiệt đới, sắn là sản phẩm chủ đạo và là cây cứu đói truyền thống Sản lượng sắn hàng năm trên thế giới khoảng 175 triệu tấn với diện tích canh tác 14,15 triệu hécta phân bố trên 80 quốc gia Ở các nước nhiệt đới, hầu hết sắn sản xuất ra được sử dụng làm thức ăn cho người, phần còn lại được dùng để làm thức

ăn gia súc và sử dụng trong công nghiệp tinh bột [1, 19]

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng sắn ở Châu Á và trên toàn cầu

Sắn là loại cây lương thực quan trọng ở các nước nhiệt đới như Brazil, Nigeria, Thái Lan, Indonesia, Việt Nam… Trên 55 % sản lượng sắn của Thái Lan được sử dụng ở dạng sắn lát phơi khô làm thức ăn gia súc, trong đó 90% được xuất khẩu trực tiếp sang châu Âu, chỉ có 10 % tiêu thụ trong nội địa Dù sản lượng sắn củ tươi chỉ chiếm 18 triệu tấn trên tổng sản lượng toàn cầu là 175 triệu tấn, nhưng Thái Lan lại là nước đứng hàng đầu trên thế giới về sản xuất và xuất khẩu tinh bột sắn (Hình 1.1)

Sản lượng sắn thế giới năm 2006/07 đạt 226,34 triệu tấn củ tươi so với 2005/06 là 211,26 triệu tấn và 1961 là 71,26 triệu tấn Nước có sản lượng sắn nhiều nhất thế giới là Nigeria (45,72 triệu tấn), kế đến là Thái Lan (22,58 triệu tấn) và Indonesia (19,92 triệu tấn) Nước có năng suất sắn cao nhất hiện nay là

Ấn Độ (31,43 tấn/ ha), kế đến là Thái Lan (21,09 tấn/ ha), so với năng suất sắn bình quân của thế giới là 12,16 tấn/ ha (FAO, 2008)

0 500 1000 1500 2000

ia

P hi lip in es

Hình 1.1 Sản lượng tinh bột sắn của một số nước ( x 1000 tấn)

Viện Nghiên cứu Chính sách lương thực thế giới (IFPRI), đã tính toán và

dự báo tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn toàn cầu với tầm nhìn đến năm 2020, ước đạt 275,10 triệu tấn, trong đó sản xuất sắn chủ yếu ở các nước đang phát triển là 274,7 triệu tấn Mức tiêu thụ sắn ở các nước đang phát triển dự báo đạt 254,60 triệu tấn so với các nước đã phát triển là 20,5 triệu tấn Khối lượng sản phẩm sắn toàn cầu sử dụng làm lương thực thực phẩm dự báo nhu cầu là 176,3 triệu tấn và thức ăn gia súc 53,4 triệu tấn Tốc độ tăng hàng năm của nhu cầu sử dụng sản phẩm sắn làm lương thực, thực phẩm và thức ăn gia súc đạt tương ứng

là 1,98 % và 0,95 % Châu Phi vẫn là khu vực dẫn đầu sản lượng sắn toàn cầu với dự báo sản lượng năm 2020 sẽ đạt 168,6 triệu tấn Trong đó, khối lượng sản phẩm sử dụng làm lương thực thực phẩm là 77,2 %, làm thức ăn gia súc là 4,4

% Châu Mỹ La tinh giai đoạn 1993- 2020, ước tính tốc độ tiêu thụ sản phẩm sắn

tăng hàng năm là 1,3 %, so với châu Phi là 2,44 % và châu Á là 0,84 - 0,96 % Cây sắn tiếp tục giữ vai trò quan trọng trong nhiều nước châu Á, đặc biệt là các nước vùng Đông Nam Á nơi cây sắn có tổng diện tích đứng thứ ba sau lúa và ngô và tổng sản lượng đứng thứ ba sau lúa và mía Chiều hướng sản xuất sắn phụ thuộc vào khả năng cạnh tranh cây trồng Giải pháp chính là tăng năng suất sắn bằng cách áp dụng giống mới và các biện pháp kỹ thuật tiến bộ [23]

Việt Nam đứng thứ mười trên thế giới về sản lượng sắn (7,71 triệu tấn), nhưng lại là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng hàng thứ ba trên thế giới sau Thái Lan và Indonesia Sản phẩm sắn xuất khẩu của Việt Nam chủ yếu là tinh bột, sắn lát và bột sắn Thị trường chính là Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản, Singapore, Hàn Quốc [1, 23]

Sắn là cây lương thực cho người, dùng làm thức ăn gia súc quan trọng sau lúa và ngô Năm 2005, cây sắn có diện tích thu hoạch 432 nghìn ha, năng suất 15,35 tấn/ha, sản lượng 2,6 triệu tấn, so với cây lúa có diện tích 7,326 ha, năng suất 4,88 tấn/ ha, sản lượng 35,8 triệu tấn, cây ngô có diện tích 995 ha, năng suất 3,51 tấn/ ha, sản lượng gần một triệu tấn [42] Cây sắn là nguồn thu nhập quan

hợp sinh thái và điều kiện kinh tế nông hộ Sắn chủ yếu dùng để bán (48,6 %), kế đến dùng làm thức ăn gia súc (22,4 %), chế biến thủ công (16,8 %), chỉ có 12,2

% dùng tiêu thụ tươi Sắn cũng là cây công nghiệp có giá trị xuất khẩu và tiêu thụ trong nước Sắn là nguyên liệu chính để chế biến bột ngọt, bio- ethanol, mì

ăn liền, bánh kẹo, sirô, nước giải khát, bao bì, ván ép, phụ gia dược phẩm, màng phủ sinh học và chất giữ ẩm cho đất Toàn quốc hiện có trên 60 nhà máy chế biến tinh bột sắn với tổng công suất khoảng 3,8 triệu tấn củ tươi/năm và nhiều cơ

sở chế biến sắn thủ công rải rác tại hầu hết các tỉnh trồng sắn Năm 2009, diện tích đất trồng sắn đạt trên 475.000 ha, sản lượng tinh bột sắn đạt trên 8.500.000

tấn Cùng với diện tích sắn được nâng lên, năng suất thu hoạch sắn cũng như sản lượng tinh bột sắn được sản xuất cũng tăng lên theo thời gian Hình 1 mô tả tốc

độ tăng trưởng về diện tích trồng sắn, năng suất và sản lượng tinh bột sắn của Việt nam Tốc độ phát triển của sản lượng tinh bột sắn cao hơn gấp nhiều lần so với sự gia tăng của diện tích trồng sắn (Hình 1.2)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Diện tích (1.000 ha) Sản lượng (10.000 tấn) Năng suất (100 tấn/ ha)

Hình 1.2 Diện tích, năng suất và sản lượng tinh bột sắn ở nước ta [11]

Ngoài tinh bột sắn, các sản phẩm khác chế biến từ tinh bột sắn là: Cồn, rượu, bột ngọt, axit glutamic, axit amin, các loại tinh bột biến tính, maltodextrin, sirô maltoza, glucoza, fructoza, đường chức năng, thức ăn gia súc, phân bón hữu

Trong hạt, tinh bột tồn tại dưới dạng các hạt có kích thước biến đổi từ 0,02

- 0,12 mm Hạt tinh bột của các loại hạt khác nhau có hình dáng và kích thước khác nhau Hạt tinh bột khoai tây có kích thước lớn hơn cả, còn hạt tinh bột của lúa mỳ có kích thước nhỏ hơn Hạt tinh bột lúa mỳ, lúa mạch có cấu tạo đơn giản còn hạt tinh bột ngô có cấu tạo phức tạp Khi tác dụng với iot tinh bột có màu rất đặc trưng Phản ứng này dùng để định tính tinh bột [4, 16, 24, 38, 40]

1.1.3.2 Cấu tạo của tinh bột

Tinh bột không phải là một chất riêng biệt, nó bao gồm hai cấu tử là amylose (AM) và amylopectin (AP) AM thường chiếm 12- 25 %, còn AP chiếm

75- 85 % phân tử tinh bột [15]

Hình 1.3 Cấu tạo của tinh bột

AM và AP đều là α- polysaccarit và đều do các gốc α- D- glucoza cấu tạo

- glucoza Các gốc glucoza nối với nhau bằng liên kết α- 1,4 glucozit và tạo thành một mạch xoắn dài Cấu trúc xoắn được giữ vững nhờ liên kết hydrô được tạo thành giữa các nhóm OH tự do

mạch xoắn của AM co lại, vòng xoắn lớn lên và gồm 6 gốc glucoza [15, 16]

Hình 1.4 Cấu trúc của Amyloza

AP được cấu tạo từ 600- 37000 gốc D- glucoza Chúng gắn với nhau bằng các liên kết α- 1,4 và α- 1,6 glucozit Chiều dài trung bình của mạch có nhánh tự

do gồm 21- 27 gốc glucoza (có trường hợp chỉ 15- 18 gốc) AP có phân tử lượng

Người ta còn thấy một số liên kết α- 1,3 glucozit trong tinh bột Trong thành phần của AP còn có một ít phospho (0,012- 0,111 %) Phospho được gắn vào nguyên tử cacbon thứ 6 của gốc glucoza

Hình 1.5 Cấu trúc của amylopectin

1.1.3.3 Tính chất của tinh bột

- Phản ứng thuỷ phân

Một tính chất quan trọng của tinh bột là quá trình thủy phân liên kết giữa các đơn vị glucozơ bằng axit hoặc bằng enzym Enzym chỉ thủy phân hiệu quả ở dạng hồ hóa Một số enzym thường dùng là α- amylaza, β- amylaza Axit

và enzym giống nhau là đều thủy phân các phân tử tinh bột bằng cách thủy phân liên kết α-D (1,4) glycozit Đặc trưng của phản ứng này là sự giảm nhanh

độ nhớt và sinh ra đường [7, 13, 35, 48]

Hình 1.6 Phản ứng thủy phân của tinh bột

Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể bị oxi hóa tạo thành andehyt, xeton và tạo thành các nhóm cacboxyl Quá trình này còn làm giảm chiều dài mạch tinh bột và tăng khả năng hòa tan trong nước, đặc biệt trong môi trường loãng Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể tiến hành ete hóa và este hóa Những nhóm hydroxyl trong tinh bột có khả năng phản ứng với andehyt trong môi trường axit Khi đó xảy ra phản ứng ngưng tụ tạo liên kết ngang giữa các phân tử tinh bột gần nhau Sản phẩm tạo thành không có khả năng tan trong nước [2, 35]

- Tính hấp thụ của tinh bột

Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất bị hấp thụ thì bề mặt trong và ngoài của tinh bột đều tham dự Vì vậy trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến cần phải hết sức quan tâm tính chất này Các ion liên kết với tinh bột thường ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của tinh bột Khả năng hấp thụ của các loại tinh bột phụ thuộc cấu trúc bên trong của hạt và khả năng trương nở của chúng

- Khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan của tinh bột

Xác định khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan của tinh bột cho

phép điều chỉnh được tỉ lệ dung dịch tinh bột và nhiệt độ cần thiết trong quá trình công nghiệp, còn có ý nghĩa trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến thủy nhiệt Rất nhiều tính chất chức năng của tinh bột phụ thuộc vào tương tác của tinh bột và nước (tính chất thủy nhiệt, sự hồ hóa, tạo gel, tạo màng) Ngoài ra, nó cũng là cơ sở để lựa chọn tinh bột biến hình thích hợp cho từng ứng dụng cụ thể Ví dụ: Để sản xuất các sản phẩm nước uống hòa tan như cà phê, trà hòa tan thì nên chọn tinh bột biến hình nào có độ hòa tan cao nhất

- Tính chất hồ hóa của tinh bột

Phần lớn tinh bột bị hồ hóa khi nấu và trạng thái trương nở được sử dụng nhiều hơn ở trạng thái tự nhiên Các biến đổi hóa lí khi hồ hóa như sau: Hạt tinh bột trương lên, tăng độ trong suốt và độ nhớt, các phân tử mạch thẳng và nhỏ thì hòa tan và sau đó tự liên hợp với nhau để tạo thành gel Tùy điều kiện

hồ hóa như nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kich thước hạt và pH mà nhiệt độ phá vỡ và trương nở của tinh bột biến đổi một cách rộng lớn [8, 9, 15]

Một trong những tính chất quan trọng của tinh bột có ảnh hưởng đến chất lượng và kết cấu của nhiều sản phẩm thực phẩm đó là độ nhớt và độ dẻo Phân tử tinh bột có nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết được với nhau làm cho phân tử tinh bột tập hợp lại, giữ nhiều nước hơn khiến cho dung dịch có

độ đặc, độ dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn Yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch tinh bột là các phân tử hoặc của các hạt phân tán, đặc tính bên trong của tinh bột như kích thước, thể tích, cấu trúc và sự bất đối xứng của phân tử Nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, tác nhân oxi hóa, các thuốc thử phá hủy liên kết hydro đều làm thay đổi độ nhớt của dung dịch tinh bột

1.1.3.4 Đặc tính tinh bột sắn

Tinh bột sắn có màu rất trắng Trong quá trình sản xuất, nếu củ được nghiền khi chưa bóc vỏ, tinh bột thu được thường có màu tối Màu xám của tinh

bột sắn ảnh hưởng tới chất lượng cũng như giá cả của sản phẩm Củ sắn và tinh bột sắn thường có pH trong khoảng 4,7- 7,0 Còn theo tiêu chuẩn của Mỹ, các loại sắn tốt có pH từ 4,5- 6,5 và độ axit thấp Tinh bột sắn tốt được sấy khô tốt cũng có tính di động tốt Tinh bột bị hồ hoá biến thành màu trong hơi ngả về xám Tinh bột sắn không có mùi đặc trưng, khi hồ hoá dậy mùi đặc trưng dễ phân biệt với các loại tinh bột khác Khi hồ hoá, độ nhớt tăng rất nhanh, độ dính rất cao so với tinh bột khoai và các loại củ khác

Quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope SEM), hạt tinh bột sắn có kích thước từ 5 đến 40µm với những hạt lớn 25- 35µm, hạt nhỏ 5- 15µm và nhiều hình dạng, chủ yếu là hình tròn, bề mặt nhẵn, một bên mặt có chỗ lõm hình nón và một núm nhỏ ở giữa Dưới ánh sáng phân cực, các liên kết ngang với mật độ từ trung bình tới dày đặc có thể thấy rõ

Khi hạt tinh bột sắn bị vỡ, có thể quan sát được các rãnh tạo cấu trúc xốp của hạt Các rãnh vô định hình kéo dài từ bề mặt tới tâm của hạt tạo thành các lỗ xốp Chính các lỗ xốp này giúp nước thâm nhập làm trương nở tinh bột, phá vỡ các liên kết hydro giữa các phân tử trong cấu trúc tinh thể tạo điều kiện cho tác dụng phân huỷ của enzym Tinh bột sắn có cấu trúc hạt tương đối xốp, liên kết giữa các phần tử trong cấu trúc tinh thể yếu, vì vậy nó dễ bị phân huỷ bởi các tác nhân như axit và enzym hơn so với các loại tinh bột khác như bắp, gạo

Tinh bột sắn có hàm lượng amylopectin và phân tử lượng trung bình tương đối cao và hàm lượng amylose nằm trong khoảng 8- 29 %, nhưng nói chung đa

số các giống sắn có tỷ lệ amyloza 16- 18 % Tinh bột sắn có những tính chất tương tự các loại tinh bột chứa nhiều amylopectin như độ nhớt cao, xu hướng thoái hoá thấp và độ bền gen cao Hàm lượng amylopectin và amyloza trong tinh bột sắn liên quan tới độ dính của tinh bột nấu chín và nhiều tính chất khác trong các ứng dụng công nghiệp

Tinh bột sắn có nhiệt độ hồ hoá trong khoảng 58,5- 70 oC so với 56- 66 oC

các liên kết ngang hay việc thêm các chất có hoạt tính bề mặt có thể thay đổi nhiệt độ hồ hoá Nhiệt độ hồ hoá cũng ảnh hưởng đến chất lượng nấu của tinh bột, nhiệt độ hồ hoá thấp thường làm chất lượng nấu thấp do tinh bột dễ bị phá

vỡ [8, 9, 40]

1 2 Các enzym thủy phân tinh bột [27, 37, 53]

Ngoài tác nhân thủy phân là axit và bazơ, sự thuỷ phân tinh bột còn được thực hiện bởi các enzym amylaza từ các nguồn khác nhau Với những ưu điểm vượt trội so với các chất xúc tác hoá học, các chế phẩm enzym được sản xuất ngày càng nhiều và được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế Một số nước sử dụng nguồn enzym từ thóc mầm, malt đại mạch, phần lớn dùng chế phẩm enzym từ việc nuôi cấy các chủng vi sinh vật [5, 34]

Hiện nay có nhiều hãng enzym đã cho ra rất nhiều loại chế phẩm enzym hữu hiệu để ứng dụng trong quá trình thuỷ phân tinh bột như hãng NOVO Đan Mạch, GENENCOR… Sử dụng enzym để chế biến tinh bột và các nguyên liệu

có chứa tinh bột đã mở ra những triển vọng mới trong việc phát triển ngành chế biến nông sản, thực phẩm Thị trường enzym toàn cầu đạt khoảng 1,4 tỷ USD năm 1996; 1,6 tỷ USD năm 1997 và tăng từ 6,5- 10 % hàng năm Các enzym được

sử dụng trong công nghiệp thực phẩm và công nghiệp biến tính tinh bột như proteaza, amylaza, lipaza, xenlulaza chiếm 70 % tổng khối lượng enzym sử dụng, trong số đó 60 % hiện được sản xuất ở dạng enzym tái tổ hợp Năm 1996, tổng giá trị các enzym sử dụng trong công nghiệp biến tính tinh bột là 156 triệu USD, trong đó α- amylaza bền nhiệt, glucoisomeraza glucoamylaza là những enzym được sử dụng nhiều nhất [17, 27]

Trong quá trình sản xuất fructoza từ nguyên liệu tinh bột có sử dụng 3 loại enzym: α- amylaza trong quá trình dịch hoá, glucoamylaza trong quá trình đường hoá và glucoisomeraza trong quá trình đồng phân hoá để chuyển hoá glucoza thành fructoza

1.2.1 α- amylaza

Theo danh pháp quốc tế, α- amylaza gọi là α- 1,4 glucan-4 glucahydrolaza (EC 3.2.1.1), có khả năng phân cắt các liên kết α- 1,4 glucozit trong phân tử polysacarit một cách ngẫu nhiên không theo trật tự nào Do đó α- amylaza có thể thuỷ phân được amyloza, amylopectin, glycogen và các sản phẩm trung gian của quá trình thủy phân Nhưng không có khả năng thủy phân liên kết α- 1,6 và α- 1,3 glucozit [5, 15, 22]

Amylaza là enzym thủy phân tinh bột, đồng thời là một chế phẩm sinh học được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, đặc biệt trong sản xuất sirô chứa oligosaccharit, maltoza và glucoza Enzym amylaza được dùng từ lâu đời theo phương pháp cổ truyền, để thủy phân tinh bột trong sản xuất mạch nha, rượu, bia,… Ngày nay, với các tiến bộ của khoa học kỹ thuật người ta đã sử dụng phương pháp enzym để thay thế phương pháp axit trước đây trên quy mô công nghiệp ở Mỹ, 75 % sirô và glucoza tinh thể được sản xuất bằng phương pháp enzym Việc sử dụng amylaza ngày càng trở nên rộng rãi hơn kể từ khi có α-

amylaza tính chiết từ một số chủng vi sinh vật như Bacillus licheniformis được

phát hiện là có tính bền nhiệt

α- amylaza được phân bố rộng rãi trong các tế bào vi sinh vật Các vi sinh

vật có khả năng sinh tổng hợp α- amylaza là các chủng Bacillus (như Bacillus

acidoaldarius, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus subtilis, Bacillus thermophilus), Streptomyces aureofacien, Thermophilus vulgaris và một số

stearo-chủng Pseudomonas, Aspergillus, Endomycopsis,…

Các α- amylaza thu nhận từ xạ khuẩn và nấm men có hoạt lực không cao,

vì vậy phần lớn nghiên cứu được tập trung vào α- amylaza của nấm mốc và vi khuẩn α- amylaza có trong nước bọt, hạt hoà thảo, đặc biệt có rất nhiều trong chế phẩm nuôi cấy nấm mốc, vi khuẩn Nhiều vi sinh vật có khả năng tổng hợp

α- amylaza, nhưng phổ biến nhất là các chủng vi khuẩn Bacillus và các chủng nấm mốc Aspergillus, Rhizopus Xạ khuẩn và nấm men Endomycopsis cũng có

khả năng tổng hợp α- amylaza, tuy nhiên hoạt độ α- amylaza của chúng không cao [21, 22]

α- amylaza của nấm mốc: Được chia làm 2 loại: Chịu axit và kém chịu

axit, thường hoạt động ở pH axit α- amylaza của nấm mốc lần đầu tiên được

phát hiện từ chủng Aspergillus oryzae Sau này người ta tìm thấy A niger, A

awamori, Rhizopus ulencer, R nevear cũng có khả năng tổng hợp α- amylaza

α- amylaza của vi khuẩn: Được chia làm 2 loại: Chịu nhiệt và kém chịu nhiệt, thường hoạt động ở pH trung tính hoặc kiềm nhẹ α- amylaza của vi khuẩn là loại bền với nhiệt nhất so với các loại α- amylaza sinh ra từ các chủng vi sinh vật khác

chủng Bacillus subtilis bị mất hoạt lực hoàn toàn

Trong công nghiệp, α- amylaza của vi khuẩn được sử dụng rộng rãi nhất vì

nó thường không có độc tố, lại có hoạt lực cao và chịu được nhiệt độ cao, trong

khi α- amylaza của nấm mốc bị mất hoạt tính ngay sau khi hồ hoá Bacillus là

giống vi khuẩn có khả năng tổng hợp α- amylaza mạnh nhất và có ý nghĩa trong

công nghiệp, nhất là Bacillus subtilis, B coagulans, B stearothermophilus, B

licheniformis

α- amylaza từ các chủng vi sinh vật khác nhau có nhiều tính chất giống nhau nhưng cũng có các tính chất khác nhau Chúng giống nhau chủ yếu về tính

năng tác dụng với cơ chất nhưng lại rất khác nhau về khả năng bền vững với nhiệt độ và pH, đồng thời các sản phẩm thuỷ phân cơ chất của chúng cũng rất khác nhau

α- amylaza có bản chất là protein nên tan được trong nước và không bị phân hủy bởi proteaza α- amylaza còn được gọi là enzym kim loại vì trong phân

nhau và phụ thuộc vào nguồn gốc của từng loại α- amylaza Tất cả các enzym α-

mất khả năng hoạt động, không còn khả năng thủy phân cơ chất và bị biến tính

quan trọng trong việc duy trì cấu trúc phân tử cũng như khả năng hoạt động của enzym này

Tất cả các α- amylaza đều có khả năng phân hủy nhanh chóng phân tử tinh bột, làm thay đổi màu của iot và giảm độ nhớt của tinh bột một cách nhanh chóng Các sản phẩm thủy phân của α- amylaza là maltoza, oligosaccharid, maltotrioza và các dextrin phân tử thấp α- amylaza tác động rất yếu lên các dextrin phân tử thấp như maltotrioza và đặc biệt yếu hơn nữa là maltoza α- amylaza phân hủy amylopectin thành các dextrin có chứa 4 hoặc nhiều hơn gốc glucoza bằng các liên kết α- 1,6 glucozit, maltoza và glucoza

1.2.2 Glucoamylaza (AMG)

Theo danh pháp quốc tế, glucoamylaza còn gọi là α- 1,4 glucan glucohydrolaza, amyloglucozidaza, γ- amylaza Glucoamylaza có khả năng thủy phân liên kết α- 1,4 glucozit của phân tử tinh bột, cắt đứt từng đơn vị glucoza

của phân tử tinh bột từ đầu không khử Ngoài ra, glucoamylaza còn có khả năng phân cắt mối liên kết α- 1,6 và α- 1,3 glucozit nhưng với tốc độ chậm hơn

Aspergillus awamori hay Rhizopus Glucoamylaza có nguồn gốc từ nấm mốc có

tính bền nhiệt cao nhưng thường hay lẫn enzym transglucozidaza Đó là một enzym chuyển nhóm glucozit thành oligosaccharid (quá trình chuyển hoá ngược) Vì vậy, để thu nhận được glucoamylaza không lẫn transglucozidaza cần phải phân lập và tuyển chọn giống để loại bỏ enzym này

Hầu hết các glucoamylaza đều có đầy đủ 20 axit amin không thay thế Tùy thuộc vào loại glucoamylaza của các chủng khác nhau mà số lượng axit amin cũng khác nhau

pH và nhiệt độ là 2 yếu tố ảnh hưởng mạnh đến hoạt độ của enzym pH tối ưu cho hoạt động của các glucoamylaza là 3,3- 3,5 Đa số glucoamylaza của nấm mốc

Aspergillus hoạt động tối thích ở 60 oC Glucoamylaza hoàn toàn bị vô hoạt ở 70 oC

Tất cả các glucoamylaza của nấm mốc đều là glucoprotein có chứa trong phân tử từ 5- 20 % hydratcacbon, trong đó chủ yếu là glucoza, glucoamin, maltoza và galactoza Trọng lượng phân tử của glucoamylaza nấm mốc vào khoảng 26.850- 112.000 dalton Chúng đều có chứa các amino axit: Metionin, triptophan và cistein

Glucoamylaza không thủy phân tinh bột ở dạng keo, vì thế cơ chất của glucoamylaza là sản phẩm dịch thủy phân tinh bột của α- amylaza Khả năng thủy phân của glucoamylaza lên các cơ chất cũng khác nhau Theo Fleming, glucoamylaza được chia làm 2 nhóm:

Nhóm 1: Thủy phân hoàn toàn tinh bột và β- dextrin

Nhóm 2: Thủy phân 80 % tinh bột và 40 % β- dextrin

Vận tốc thủy phân phụ thuộc vào độ dài và cấu trúc phân tử của các cơ chất

1.2.3 Glucoisomeraza

Sản phẩm cuối cùng của quá trình thuỷ phân tinh bột là glucoza Giai đoạn

tiếp theo là quá trình chuyển hoá glucoza thành fructoza bằng enzym gluco-

isomeraza

Glucoisomeraza là chất xúc tác của phản ứng chuyển hoá D- glucoza

thành D- fructoza trong điều kiện chuẩn (pH, nhiệt độ, nồng độ cơ chất, nồng độ

enzym) Sau quá trình đồng phân sản phẩm tạo thành là fructoza ở dạng vòng và

dạng thẳng

Glucoisomeraza theo danh pháp quốc tế được gọi là D- xylose- keto-

izomeraza (EC 5.3.1.5) Glucoisomeraza có tác dụng xúc tác phản ứng chuyển

hoá glucoza thành fructoza Dưới tác dụng của glucoisomeraza nhóm andehit

(CHO) trong phân tử glucoza chuyển thành nhóm (C = O) trong phân tử fructoza

Glucoisomeraza được thu nhận chủ yếu từ vi sinh vật, phổ biến nhất là các

chủng vi khuẩn Bacillus, phổ biến là: Bacillus megaterium, B coagulans, B

stearothermophiles

Nhóm xạ khuẩn có khả năng sinh tổng hợp glucoisomeraza mạnh nhất và

có ý nghĩa công nghiệp nhất gồm: Streptomyces albus, S fradiae, S olivaceus, S

olivochromgenes Các chủng xạ khuẩn Streptomyces, Lactobacillus, Pseudomonas, cũng có khả năng tổng hợp glucoisomeraza nhưng enzym tổng

hợp từ những chủng này kém mạnh mẽ và không bền nhiệt, Takasaki đã phân lập

được hai chủng xạ khuẩn Streptomyces albus và S bikiniensis từ đất, có khả

năng tổng hợp glucoisomeraza trên môi trường chứa là xylan [22]

Glucoisomeraza được thu nhận từ các nguồn khác nhau có tính chất giống nhau nhưng cũng có tính chất khác nhau Đa số các chủng vi sinh vật có khả năng tổng hợp glucoisomeraza đều đòi hỏi môi trường có D- xyloza làm nguồn cacbon Ngoài ra các chủng xạ khuẩn có thể tổng hợp glucoisomeraza trên môi trường chứa xylan như rơm rạ, bã mía, vỏ trấu…

Glucoisomeraza có bản chất là protein Song enzym thu được nhận từ nguồn khác nhau có hàm lượng axit amin trong phân tử khác nhau Đa số glucoisomeraza đều giàu alanin, leucin và glixin

Missouriensis ở 90 oC Glucoisomeraza thu nhận từ nguồn khác nhau có nhiệt độ

- 8,0 [8, 9]

gốc của nó Do enzym này có độ bền nhiệt tốt nên phản ứng có thể tiến hành ở

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzym [3, 16, 17, 18]

Trong quá trình thuỷ phân tinh bột, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào sự hình thành liên kết enzym- tinh bột Liên kết này do sự hấp thụ lẫn nhau giữa các nhóm háo nước có trên bề mặt của các hạt tinh bột và enzym như [ - COOH], [-

năng lượng bề mặt, làm biến dạng các phần riêng biệt của phân tử amyloza và amylopectin, dẫn đến làm đứt các liên kết glucozit để tạo sản phẩm và giải phóng enzym Trạng thái này phụ thuộc vào: nồng độ enzym, cơ chất, nhiệt độ,

pH môi trường, các ion kim loại, các hợp chất vô cơ và hữu cơ…

1.3.1 Nồng độ cơ chất

Nồng độ tinh bột có ảnh hưởng rõ rệt đến cơ cấu sản phẩm thuỷ phân Khi nồng độ dịch bột thấp thì khả năng thuỷ phân của α- amylaza tăng, sản phẩm chủ yếu là dextrin phân tử thấp Ngược lại, nếu tác nhân thuỷ phân là β- amylaza, khi dịch tinh bột đặc, lượng đường maltoza thu được sẽ nhiều hơn so với dịch tinh bột loãng, vì điều kiện này thuận lợi cho hoạt động của enzym

Hình 1.8 Dạng chung của đường biểu diễn sự phụ thuộc

vào vận tốc phản ứng và nồng độ cơ chất 1.3.2 Nồng độ enzym

Khi nồng độ enzym quá lớn (bão hoà với nồng độ cơ chất), nếu tiếp tục tăng nồng độ enzym thì vận tốc phản ứng tăng chậm hoặc không thay đổi Vì vậy, cần tìm nồng độ thích hợp để sử dụng, tránh lãng phí enzym

Nếu thay đổi nồng độ enzym, thành phần và tính chất dịch thuỷ phân sẽ thay đổi, nhờ vậy có thể điều chỉnh cơ cấu sản phẩm sau thuỷ phân bằng cách này Sự thay đổi tính chất của dịch đường là nhân tố quyết định để sản xuất loại sản phẩm này hay sản phẩm khác

1.3.3 Ảnh hưởng của các chất kìm hãm

Hoạt độ enzym có thể bị thay đổi dưới tác dụng của một số chất có bản chất hoá học khác nhau Các chất làm giảm hoạt độ của enzym nhưng không bị chuyển hoá bởi enzym được gọi là các chất kìm hãm hay là các chất ức chế, thường ký hiệu là I (Inhibitor) Các chất này có thể là những ion, phân tử vô cơ, hữu cơ, kể cả protein

Các chất gây biến tính protein là những chất kìm hãm không đặc hiệu của enzym Nhiều chất khác không làm biến tính protein enzym nhưng vẫn làm giảm hoạt động xúc tác của nó theo cơ chế khác [4, 16]

Các chất này có thể kìm hãm thuận nghịch hoặc không thuận nghịch enzym Nếu là kiểu kìm hãm thuận nghịch, phản ứng kết hợp giữa enzym (E) và chất kìm hãm (I) nhanh chóng đạt đến cân bằng:

bằng 0, khi I kết hợp với E bằng liên kết đồng hoá trị hoặc kết hợp rất chặt chẽ đến mức khó lòng tách khỏi E, sự phân ly phức EI là rất chậm

1.3.4 Ảnh hưởng của các chất hoạt hóa

Các chất hoạt hoá làm tăng hoạt độ xúc tác của enzym Các chất hoạt hoá thường có bản chất khác nhau, có thể là các anion, các ion kim loại nằm từ ô thứ

1 đến ô thứ 55 của bảng nguyên tố tuần hoàn Mendeleev hoặc các chất hữu cơ có cấu tạo phức tạp hơn làm nhiệm vụ chuyển nhóm chuyển hydro hoặc những chất

có khả năng phá vỡ một số liên kết trong phân tử tiền enzym hoặc các chất có tác dụng phục hồi nhóm chức năng trong trung tâm hoạt động của enzym Tuy nhiên tác dụng hoạt hoá chỉ có giới hạn ở những nồng độ xác định, vượt quá giới hạn này có thể làm giảm hoạt độ của enzym

Một số chất hoạt hoá có thể kết hợp trực tiếp với phân tử enzym, làm thay đổi cấu tạo không gian của nó theo hướng có lợi cho hoạt động xúc tác của enzym Một số chất hoạt hoá khác có thể tác dụng theo cách gián tiếp như loại trừ các yếu tố gây kìm hãm khỏi môi trường phản ứng

1.3.5 Nhiệt độ và thời gian phản ứng

Enzym có nguồn gốc khác nhau thì khả năng chịu nhiệt sẽ khác nhau, trong đó enzym từ vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt cao hơn so với các nguồn

định theo thời gian phản ứng Trong khi đó nhiệt độ hoạt động của α- amylaza ở

Nhiệt độ tối ưu phụ thuộc vào cơ chất, với dung dịch 1 % tinh bột, nhiệt

nồng độ cơ chất của dung dịch nhưng chỉ trong giới hạn nhiệt độ xác định [34]

Hình 1.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng enzym

Nhiệt độ tối ưu còn phụ thuộc vào thời gian phản ứng Thời gian dài sẽ làm giảm khả năng chịu nhiệt của enzym Ngoài ra còn phụ thuộc vào pH của môi trường và tăng cùng với pH trong giới hạn nhiệt độ nhất định Tuy nhiên, ngay cả khi enzym hoạt động ở các điều kiện tối ưu thì cũng chỉ thể hiện hoạt độ cao trong khoảng thời gian nhất định Vượt quá thời gian này thì hoạt lực của enzym yếu dần và dẫn đến bị vô hoạt [51]

Nhìn chung, sự tác động đồng thời của các yếu tố: nồng độ cơ chất, pH, thời gian phản ứng có ảnh hưởng nhất định đến đặc tính bền nhiệt của enzym Như vậy, điều chỉnh nhiệt độ để điều hoà sản phẩm của phản ứng thuỷ phân tinh bột là giải pháp công nghệ hoàn toàn thực hiện được

1.3.6 pH

pH có ảnh hưởng lớn tới vận tốc phản ứng enzym, mỗi enzym chỉ hoạt động thích hợp nhất ở một pH xác định gọi là pH hoạt động tối thích của enzym

số enzym có pH hoạt động tối thích nằm trong vùng axit mạnh hoặc kiềm mạnh

nhiều vào các yếu tố khác như cơ chất, tính chất dung dịch đệm, nhiệt độ [16]

Hình 1.10 Ảnh hưởng của pH đến vận tốc phản ứng enzym

1.4 Fructoza

1.4.1 Giới thiệu về fructoza

Fructoza là một đường đơn tự nhiên, có trong nhiều thực phẩm và đồ uống, rau tươi, quả chín và mật ong Khi kết tinh fructoza có hình kim, tinh thể của nó

năng lượng quan trọng của cơ thể

- Lactoza là disacarit gồm glucoza và galactoza trong sữa

- Maltoza là disacarit gồm 2 phân tử glucoza

- Dextroza (glucoza) sản xuất từ tinh bột, đường mía, đường củ cải đường

- High Fructose Corn Sirup (HFCS) là hỗn hợp glucoza và fructoza sản xuất từ tinh bột ngô

- Fructoza là loại đường quả, có nhiều trong quả chín và rau, đặc biệt trong mật ong 40%

1.4.1.1 Cấu tạo của fructoza

Quá trình vòng hoá do nhóm chức xeton của cacbon ở vị trí thứ hai tạo

1.4.1.2 Tính chất của fructoza Fructoza tinh khiết ở dạng tinh thể có dạng màu

trắng, vị ngọt gấp 1,7 lần độ ngọt của saccaroza Do sự có mặt của nhiều nhóm hydroxyl trong phân tử nên fructoza dễ tan trong nước và không tan trong các dung môi hữu cơ Hoá tính quan trọng của fructoza là tính chất của nhóm chức xeton [44]

1.4.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất sirô fructoza

1.4.2.1 Trên thế giới

Quá trình thuỷ phân tinh bột bằng enzym được bắt đầu trên quy mô công nghiệp từ những năm 1950 Rechard O.Marshall và Earl R.Kooi là những người đầu tiên sản xuất được sirô fructoza ngô nồng độ cao, tiếng Anh là High Fructose Corn Sirup (HFCS) vào năm 1957 [29] Đến năm 1960 một khối lượng lớn glucoza tinh thể đã được sản xuất và tiêu thụ rộng rãi trên thị trường, còn sirô fructoza là một đề tài lớn đang được nghiên cứu Trên thế giới mới chỉ có Clinton Corn processing Co của Mỹ là cơ sở sản xuất sirô fructoza trên quy mô công nghiệp Năm 1967 hàm lượng frutoza mới chỉ có 15 %, đến năm 1968 thì hàm lượng fructoza đạt 42 % [50, 52] Các nhà khoa học Nhật Bản nghiên cứu tinh chế fructoza vào năm 1970 Từ đó HFCS được sản xuất với mức độ tăng trưởng rất cao và được ứng dụng rất rộng rãi trong thực phẩm và đồ uống, đặc biệt ở Mỹ trong những năm 1975-1985 Năm1972 khi enzym glucoisomeraza sản xuất trên quy mô lớn và được cố định trên một chất mang thì sản lượng sirô fructoza tăng lên rất nhanh ở nhiều nơi trên thế giới Năm 1985 Canada đã sản xuất được 220.000 tấn, Nhật Bản sản xuất được 585.000 tấn, các nước Châu Âu sản lượng sirô fructoza đạt 350.000 tấn Ở Mỹ từ những năm 1976 sản lượng đường fructoza sản xuất được nhiều hơn 2,3 triệu tấn/ năm và tổng sản lượng đường tinh bột (sirô fructoza, sirô glucoza, glucoza tinh thể) đạt 26 % tổng sản lượng đường của cả nước [47, 48, 51] Trong những năm 90 sản lượng sirô

fructoza tăng 5 triệu tấn/ năm và tổng sản lượng đường tinh bột đạt 67% sản lượng đường cả nước [51]

Trên thị trường thế giới, sirô fructoza 42 % được sử dụng nhiều nhất Đây

là sirô có độ ngọt tương đương với đường kính, trong thành phần sirô có 40- 42

% fructoza, 50- 52 % glucoza và 5- 8 % các loại đường khác Từ sirô fructoza 42

% có thể sản xuất sirô fructoza 55 % có độ ngọt cao hơn [28, 30] Có 3 loại HFCS thương phẩm trên thị trường là: HFCS 90 %, HFCS 55 % và HFCS 42 % tương ứng với hàm lượng fructoza là 90 %, 55 % và 42 % [36, 44, 46]

1.4.2.2 Trong nước

Ở Việt Nam hiện nay chưa có nhà máy, công ty nào ngoài Công ty cổ phần Thực phẩm Minh Dương, Hoài Đức, Hà Nội sản xuất được sirô fructoza Trong công nghiệp thực phẩm vẫn phải thường xuyên nhập khẩu fructoza để thay thế đường mía saccaroza

1.4.3 Giá trị dinh dưỡng của fructoza

1.4.3.1 GI là gì?

Glycemic Index (GI) là chỉ số phản ánh tốc độ làm tăng đường huyết sau 3- 4 giờ ăn các thực phẩm giàu chất bột đường Chất bột đường hiện diện ở hầu hết các loại thực phẩm chúng ta dùng hàng ngày như: Cơm, bún, bánh mỳ và ngay cả trong sữa công thức dành cho trẻ em đang lớn Chỉ số GI của 1 thực phẩm được phân loại: thấp, trung bình hoặc cao Thực phẩm có chỉ số GI cao thường chứa đường glucoza hấp thụ nhanh Điều đó có nghĩa là sau khi ăn các loại thực phẩm này thì mức đường glucoza trong máu sẽ tăng vọt lên rất nhanh, nhưng cũng giảm nhanh ngay sau đó Trong khi đó, các thực phẩm có chỉ số GI thấp sẽ tốt hơn vì mức đường huyết được tăng lên từ từ, và cũng giảm xuống từ

từ, giúp cho cơ thể giữ được nguồn năng lượng ổn định, có lợi hơn cho sức khoẻ

và trí não [44,45]

1.4.3.2 Lợi ích về dinh dưỡng của fructoza

Có nhiều lợi ích khi sử dụng HFCS thay cho saccaroza [46] HFCS rẻ hơn saccaroza vì được sản xuất từ ngô thay thế saccaroza mà Mỹ phải nhập khẩu HFCS dễ dàng vận chuyển vì là chất lỏng HFCS cũng là sản phẩm có chất lượng bền vững, ổn định Mật ong, đường saccaroza và HFCS có cùng năng lượng trung bình 4 kcalo/ gram chất khô

William Duffy tác giả cuốn “Sugar Blues” cho rằng: Saccaroza có liên quan đến bệnh tiểu đường Đường máu vượt quá cao có thể dẫn đến bệnh tiểu đường loại II Nếu đường kính quá nguy hiểm, dù là số lượng ít thì người bệnh tiểu đường và những người có nguy cơ mắc bệnh tiểu đường tuýp II hãy sử dụng các chất ngọt tự nhiên từ quả chín, mật ong có chứa đường fructoza HFCS chứa fructoza, không chứa saccaroza Trong cơ thể saccaroza được thuỷ phân thành glucoza và fructoza Nhưng trao đổi chất glucoza cần insulin để vận chuyển glucoza máu vào tế bào dùng làm năng lượng

Fructoza tinh thể ngọt hơn các loại đường khác, có lợi về mặt tiết kiệm năng lượng, có quá trình trao đổi chất độc lập với insulin, được dùng trong đồ ăn kiêng, cho người bệnh đái tháo đường, có chỉ số Glycemic Index rất thấp (GI

=19) và có lợi lý tưởng cho sức khoẻ người dùng Fructoza là chất ngọt có độ ngọt cao nhất trong số các chất ngọt dinh dưỡng và có nguồn gốc tự nhiên Độ ngọt (tuỳ theo nồng độ) từ 1,2 đến 1,8 lần so với độ ngọt của saccaroza và có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm [44, 45]

Sử dụng đường nhằm cung cấp năng lượng cho cơ thể Nhưng quá trình trao đổi chất và hấp thụ glucoza và fructoza theo 2 con đường khác nhau Glucoza từ thức ăn được hấp thụ, vận chuyển về gan rồi chuyển động tự do vào máu Các mô cơ tiếp nhận glucoza từ máu sử dụng làm năng lượng Quá trình này yêu cầu có insulin Fructoza không kích thích sản xuất insulin và leptin Hai

chất này có vai trò quan trọng điều chỉnh sự tiếp nhận thức ăn và tăng trọng

lượng cơ thể Trao đổi chất fructoza cũng thực hiện ở gan nhưng không như

glucoza vì không yêu cầu sử dụng insulin [20]

Bảng 1.1 Ngưỡng cảm nhận và giá trị độ ngọt tương đối của các đường

Hội đồng kiểm tra năng lượng (Caloric Control Council) đã có cuộc khảo

sát những người tiêu dùng chất ngọt và đã có kết luận cho rằng: Hơn 180 triệu

người lớn ở Mỹ đang phối hợp với nhau tìm kiếm các thực phẩm và đồ uống

năng lượng thấp trong một chương trình được coi là một phần của lối sống khoẻ

mạnh Fructoza có thể được lựa chọn cho chương trình này vì giá trị đích thực về

độ ngọt và chức năng của fructoza [25]

Cục dược phẩm và thực phẩm Mỹ (FDA) đã đánh giá HFCS là an toàn sử

dụng trong thực phẩm như saccaroza, đường ngô, sirô ngô và các đường chuyển

hoá từ tinh bột Trong những thập kỷ gần đây, fructoza được bổ sung vào đồ ăn

kiêng và đang trở thành sản phẩm rất thông dụng [25] Các Tổ chức y tế, thực

phẩm, khoa học công nghệ Mỹ như: Hãng Surgeon General về dinh dưỡng và

sức khoẻ, Viện Hàn lâm khoa học Mỹ về đồ ăn kiêng, sức khoẻ cộng đồng năm

2000, Cục Hỗ trợ dịch vụ con người và sức khoẻ của Mỹ cũng có những kết luận tương tự Trao đổi chất fructoza không làm tăng glucoza máu, không yêu cầu sự

có mặt của insulin đối với người bệnh tiểu đường, do đó trên thực tế sử dụng fructoza tốt hơn các loại đường khác Hơn thế nữa, nhiều kết quả nghiên cứu đã khẳng định với số lượng nhỏ fructoza còn có thể cải thiện việc kiểm soát chỉ số

GI cho nhóm người bệnh đái tháo đường Cơ thể người hấp thụ fructoza nhanh chóng và dễ dàng Người bệnh đái tháo đường cũng có thể sử dụng fructoza vì fructoza kích thích insulin hoạt động Là chất ngọt đậm, fructoza có thể giảm calory trong nhiều thực phẩm và đồ uống phổ thông Tuy nhiên, người tiêu dùng hãy quan tâm tới những lời cảnh báo khi sử dụng dư thừa đường các loại nói chung và sirô fructoza nói riêng [45]

Nếu năm 1970, tỷ lệ bình quân đầu người sử dụng đường saccaroza chiếm 85 % chất ngọt và chưa sử dụng đường fructoza, thì từ những năm sau

2005, tỷ lệ sử dụng đường fructoza đã tăng lên đáng kể, xấp xỉ với saccaroza và

đạt gần 50% sản lượng chất ngọt (hình 1.12)

Hình 1.12 Biểu đồ về mức tiêu dùng chất ngọt chủ yếu bình quân đầu người ở Mỹ từ 1970 đến 2008 tính theo pounds (1 pounds = 0,454 kg) [20]

Theo sách xuất bản thường niên về chất ngọt và đường saccaroza, Cục Nghiên cứu kinh tế của Bộ Nông nghiệp Mỹ (U.S Department of Agriculture, Economic Research Service, Sugar and Sweetener Yearbook series), mức sử dụng bình quân đầu người đối với chất ngọt ở Mỹ đã có nhiều biến động trong

30 năm qua [20]

Ở Mỹ, năm 2004, mức sử dụng đường bình quân đầu người như sau:

1967 đến năm 2000, mức độ sử dụng HFCS đã tăng trên 1.000% từ năm 1970 đến năm 1990 Hiện nay ở Mỹ đang sử dụng HFCS với tỷ lệ trên 40% các loại chất ngọt bổ sung vào thực phẩm và đồ uống đặc biệt là nước ngọt Sử dụng HFCS đạt mức trung bình 132 kcal/ người dân Mỹ/ ngày và trong số các đối tượng dùng nhiều (top đầu chiếm 20%) đạt mức 316 kcal/ người/ ngày [29, 30,

54, 55]

1.4.4 Ứng dụng fructoza trong công nghiệp thực phẩm

Fructoza là chất ngọt có độ ngọt cao nhất trong số các chất ngọt dinh dưỡng và có nguồn gốc tự nhiên Độ ngọt (tuỳ theo nồng độ) từ 1,2 đến 1,8 lần

so với độ ngọt của saccaroza và có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm [21, 22]

Sản xuất fructoza tăng trưởng mạnh trong 30 năm qua, fructoza có chất lượng cao, có đặc tính quý giá về chức năng và sức khoẻ, là chất ngọt có hương thơm đặc trưng Khác với các chất ngọt khác và tinh bột, fructoza bền vững trong môi trường axit, giữ ẩm, tạo màu nâu trên bề mặt bánh, là đường có thể lên men bởi nấm men trong sản xuất bánh tươi, bảo vệ kết cấu của thực phẩm lạnh đông Sirô fructoza 42 % đã được ứng dụng rất rộng rãi phổ biến trong công nghiệp thực phẩm ở các nước phát triển Nếu ở Mỹ năm 1970 bình quân 40 kg

đường/ người chủ yếu là đường mía saccaroza thì hiện nay mức bình quân 42 kg/

người trong đó trên 50 % là đường fructoza

Fructoza được sử dụng trong thực phẩm và đồ uống như bánh tươi, nước

quả cô đặc, sản phẩm năng lượng thấp, đồ ăn kiêng, thực phẩm dinh dưỡng, bồi

năng lượng, sữa chocolat, ngũ cốc ăn sáng, bánh kẹo, sữa chua, mứt quả, thay

thế mật ong [25, 26]

Bảng 1.2 Sử dụng HFCS trong công nghiệp thực phẩm ở Mỹ (nghìn tấn) [28]

Nguồn: Calculated from US Census Bureau Data

Ở nước ta, phải nhập khẩu vì chưa sản xuất được si rô fructoza để sử dụng

trongn công nghiệp bánh kẹo, đồ uống, sữa và các sản phẩm của sữa

TT Công nghiệp 1987 1992 1997 2002 Mức tăng

2002/1987 (%)

CHƯƠNG II NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

2.1.1.2 Enzym (sản phẩm của hãng NOVO, Denmark)

- Enzym dịch hoá: Termamyl 120L

- Enzym đường hoá: Glucoamylaza (AMG)

- Enzym đồng phân hoá: Sweetzyme T

2.1.2 Thiết bị

Sử dụng các thiết bị phòng thí nghiệm: Bếp điện, bể ổn nhiệt, nồi cách thuỷ, tủ sấy, nhiệt kế, chiết quang kế, máy đo pH để bàn, cột trao đổi ion, cân phân tích, máy sắc ký lỏng cao áp, máy lọc chân không, máy so màu, máy cô chân không

Sử dụng các thiết bị và hệ thống thiết bị của Công ty Cổ phần thực phẩm Minh Dương bao gồm: Hệ thông thiết bị xử lý nguyên liệu, hệ thống thiết bị hồ hoá, dịch hoá, đường hoá, đồng phân hoá, hệ thông thiết bị lọc tách bã, tẩy màu, trao đổi ion, cô đặc chân không 3 cấp, các thiết bị chứa, làm lạnh, các hệ thống thiết bị cung cấp hơi, điện, nước và xử lý chất thải

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp phân tích: hoá lý, hoá sinh

2.2.1.1 Xác định nồng độ chất khô bằng chiết quang kế (Bx) [12]

2.2.1.2 Xác định pH bằng máy đo pH

2.2.1.3 Xác định độ nhớt của dịch sau dịch hoá [12]

Xác định độ nhớt của dịch đường sử dụng nhớt kế ống mao dẫn thuỷ tinh Phương pháp dùng cho mọi loại dịch đường Cần phân tích trong vòng 50 phút

kể từ khi bắt đầu lọc dịch đường

- Hiệu chuẩn: Hiệu chuẩn dụng cụ đo độ nhớt theo chỉ dẫn, đảm bảo thực

% (m/m) = 1,945 mPa.s

2.2.1.4 Xác định độ ẩm của nguyên liệu ban đầu [12]

Độ ẩm ban đầu của nguyên liệu được xác định bằng phương pháp sấy đến khối lượng không đổi

Độ ẩm của nguyên liệu (%) được tính theo công thức:

1

2 1

x m

m

2.2.1.5 Phương pháp xác định mức độ thủy phân (DE) thông qua xác định đường khử bằng phương pháp DNS (axit 3,5 dinitrosalicylic) [20]

Dựa trên phản ứng tạo màu giữa đường khử với thuốc thử axit dinitrosalicylic DNS Cường độ màu của hỗn hợp phản ứng tỷ lệ thuận với nồng

độ đường khử trong phạm vi nhất định Dựa trên đồ thị đường chuẩn đối với glucoza tinh khiết tính được hàm lượng đường khử trong mẫu phân tích

Cho 5 g DNS và 300 ml nước cất vào cốc, hoà tan hoàn toàn ở 50 oC Sau

đó cho thêm 50ml dung dịch NaOH 4N Cuối cùng thêm 150 g muối tartrat kép

Thêm nước cất tới vạch định mức Đựng trong lọ thuỷ tinh màu sẫm Nếu 1- 2 ngày sau thấy xuất hiện cặn lắng thì đem lọc cặn Chuẩn 3 ml thuốc thử DNS bằng HCl 0,1N với chỉ thị phenolphtalein, nếu hết 5- 6 ml HCl là được (Nếu cần thêm NaOH để đạt môi trường mạnh cho thuốc thử)

Dựng đồ thị chuẩn glucoza qua các bước sau:

Bước 1: Pha dịch đường glucoza chuẩn

Cân 0,25 g glucoza tinh khiết bằng cân phân tích Cho glucoza vào bình định mức 250 ml rồi định mức bằng nước cất tới vạch định mức, lắc cho đều Lấy dịch glucoza gốc pha loãng như sau:

Bảng 2.1 Pha chế dung dịch glucoza chuẩn

Bước 2: Tiến hành phản ứng với DNS trong ống nghiệm có nút xoáy: 2

ml dịch đường + 1 ml DNS → Lắc đều → Đun sôi 5 phút → Làm nguội →

Đo OD ở λ = 540 nm → Ghi kết quả

Bước 3: Vẽ đồ thị chuẩn với trục tung là OD và trục hoành là nồng độ

đường C (g/l) Thiết lập phương trình đường chuẩn

Lượng đường được tính: X = a.n.V; Trong đó:

X - Lượng đường trong dung dịch cần xác định (g)

a - Lượng đường khử trong mẫu đo(g)

n - Hệ số pha loãng dịch

V- Số thể tích dịch đo (ml)

2.2.1.6 Xác định hàm lượng đường fructoza bằng phương pháp Cistein- Carbazole (Rumany) [8]

a Xác định đường cong chuẩn

Pha fructoza tinh khiết thành các nồng độ 0,006 mg; 0,018 mg; 0,03 mg; 0,042 mg; 0,054 mg

- Cân 15 mg fructoza tinh khiết pha với 250 ml nước cất

+ Hút 1 ml fructoza ở bình định mức trên thêm vào 9 ml nước cất

+ Hút 3 ml fructoza ở bình định mức trên thêm vào 7 ml nước cất

+ Hút 5 ml fructoza ở bình định mức trên thêm vào 5 ml nước cất

+ Hút 7 ml fructoza ở bình định mức trên thêm vào 3 ml nước cất

+ Hút 9 ml fructoza ở bình định mức trên thêm vào 1 ml nước cất

- Từ các ống nghiệm trên hút ra 0.5 ml, sau đó cho lần lượt các hoá chất:

- So màu trên máy UV- PC 01 ở bước sóng λ = 560 nm

- Dựng đường cong chuẩn

b Định lượng fructoza

- Lấy mẫu sau quá trình đường hoá (Bx = 70- 72) pha loãng đến Bx= 6

- Đưa dịch có Bx= 6 qua đầu lọc để làm sạch dịch, được dịch trong

- Hút 0,5 ml ở bình định mức trên cho vào các ống nghiệm

carbazole 0,12 %

- Làm lạnh nhanh bằng đá

- So màu trên máy UV- PC 01 ở bước sóng λ = 560 nm

- Ghi lại số đo trên máy

- Tra trên đường cong chuẩn để xác định lượng fructoza tạo thành

c Tính toán:

C BxD

Trong đó: B: lượng fructoza đọc trên đường cong chuẩn

D: độ pha loãng

2.2.1.7 Xác định hàm lượng tinh bột có trong mẫu [12]

Cân 2 g bột rồi chuyển toàn bộ vào bình tam giác 250 ml Cho 100 ml HCl 2%, đậy nút cao su và nối với ống sinh hàn khí Lắc nhẹ rồi đặt nồi vào đun cách thuỷ, đun tới sôi và cho sôi khoảng 2 giờ Mức nước ở nồi cách thuỷ phải luôn cao hơn mức nước trong bình thuỷ phân, phải chuẩn bị nước sôi để bổ sung vào Sau 2 giờ thuỷ phân, toàn bộ lượng tinh bột đã chuyển hoá thành glucoza, làm nguội đến nhiệt độ phòng rồi thêm 4- 5 giọt methyl da cam, dùng NaOH 10 % để

trung hoà axit tới khi đổi màu Chú ý chỉ trung hoà khi đã làm nguội đến 30 oC,

vì ở nhiệt độ cao và kiềm cục bộ thì glucoza sẽ bị phân huỷ làm kết quả kém chính xác Trung hoà xong ta chuyển toàn bộ lượng dịch vào bình định mức 250

ml, tráng bình rồi thêm nước cất tới vạch định mức và đem lọc Dịch đường thu được xác định theo phương pháp DNS

Hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu tinh bột (%) được tính theo công thức sau:

2

9 , 0

x

Trong đó:

X- hàm lượng đường có trong nguyên liệu (g)

2.2.1.8 Phương pháp định lượng vi sinh vật

- Xác định vi khuẩn coliform và Escherichia coli (Theo TCVN 6187- 1: