Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ sản xuất đường oligoglucosyl fructoza bằng phương pháp enzim ứng dụng trong chế biến thực phẩm và dược phẩm

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM --- BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZIM ỨNG DỤ

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

-

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZIM ỨNG DỤNG TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM VÀ DƯỢC PHẨM

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: THS VŨ THỊ THUẬN

8799

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

-

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZIM ỨNG DỤNG TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM VÀ DƯỢC PHẨM

Thực hiện theo Hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 029.09.RD/ HĐ-KHCN giữa Bộ Công Thương

và Viện Công nghiệp Thực phẩm ký ngày 25 tháng 02 năm 2009

Chủ nhiệm đề tài: ThS Vũ Thị Thuận

Cộng tác viên: PGS.TS Nguyễn Thị Minh Hạnh

ThS Đỗ Trọng Hưng ThS Ngô Thị Vân

MỞ ĐẦU

Nghiên cứu sản xuất thực phẩm chức năng để phòng bệnh và chữa bệnh trong cuộc sống hiện đại ngày nay đang là vấn đề cấp bách được đạt ra, một trong

những sản phẩm đó là đường oligoglucosyl fructoza hay "coupling sugar”

Oligoglucosyl fructoza được sản xuất từ sự kết hợp của tinh bột chuyển hoá với đường sacaroza bằng mối liên kết α (1-4) glucozit, dưới tác dụng của enzim cyclodextrin glucosyltransferaza Oligoglucosyl fructoza có công thức: [α-D-glucopyranosyl-(1-4)]n-α-D-glucopyranosyl-(1-2)-β-D-fructofuranoside (n=1-15) tức là Oligoglucosyl fructoza bao gồm từ 1-15 gốc glucoza được gắn kết với đường sacaroza Đặc điểm của sản phẩm là trong, không có màu, mặc dù chịu sự tác dụng của nhiệt độ với sự có mặt của protein hoặc peptit

Oligoglucosyl fructoza có thể được cô đặc thành siro hay sấy phun thành dạng bột và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau

Trên thế giới oligoglucosyl fructoza được nghiên cứu và sản xuất ở qui mô công nghiệp lần đầu tiên tại Nhật Bản từ năm 1979 Cho tới nay sản phẩm này đã được sản xuất đại trà ở rất nhiều nước như Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ, v.v Ở Nhật Bản, đường coupling sugar được dùng để thay thế đường sacaroza nhằm phòng chống bệnh về răng miệng, béo phì, Ngoài ra một lượng lớn đường này cũng được dùng như một chất ngọt bổ sung Hiện nay có trên 500 loại sản phẩm

sử dụng đường coupling sugar như bánh quy, các sản phẩm sữa, bột dinh dưỡng trẻ em, nhiều loại thực phẩm chức năng, thực phẩm điểm tâm, kẹo, bánh, kem đánh răng, vv

Tuỳ thuộc vào mỗi nước mà sản phẩm oligoglucosyl fructoza thường được sản xuất từ sự kết hợp giữa đường sacaroza hay fructoza với một trong các loại bột khác nhau như tinh bột sắn, khoai tây, ngô,…

Xu hướng sử dụng đường chức năng ngày một tăng cao không chỉ ở trên thế

giá thành rất đắt, trong khi đó, Việt Nam có nguồn nguyên liệu như tinh bột, sacaroza,… dồi dào, và hoàn toàn có thể nghiên cứu, sản xuất được

Hiện nay, trong nước đã và đang có một số công trình nghiên cứu về đường chức năng như đường sorbitol, fructooligosacarit (FOS), Đối với việc nghiên cứu và sản xuất oligoglucosyl fructoza còn rất mới mẻ Đến nay, chưa thấy có một công bố nào về nghiên cứu sản xuất oligoglucosyl fructoza Chính vì vậy

chúng tôi đặt vấn đề: “Nghiên cứu xây dựng qui trình công nghệ sản xuất

đường oligoglucosyl fructoza bằng phương pháp enzim ứng dụng trong chế biến thực phẩm và dược phẩm”

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ĐƯỜNG OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA TRÊN THẾ GIỚI 1

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ĐƯỜNG OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA Ở VIỆT NAM 9

1.3 GIỚI THIỆU ENZIM 10

1.3.1 ENZIM DỊCH HÓA: AMYLEX ® HT 10

1.3.2 ENZIM GẮN KẾT: CYCLODEXTRIN GLUCOSYLTRANSFERAZA (CGTAZA) 10

1.3.2.1 Nguồn sinh tổng hợp CGTaza 10

1.3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của CGTaza 11

1.4 ỨNG DỤNG CỦA ĐƯỜNG COUPLING SUGAR 13

1.4.1 ỨNG DỤNG TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM: 13

1.4.2 ỨNG DỤNG TRONG DƯỢC PHẨM: 14

1.5 TINH BỘT 15

1.5.1 NGUỒN GỐC TINH BỘT 15

1.5.2 CẤU TRÚC CỦA TINH BỘT 16

1.5.3 TÍNH CHẤT CỦA TINH BỘT 17

1.5.4 TINH BỘT SẮN 17

1.5.4.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn 17

1.5.4.2 Đặc tính tinh bột sắn 18

1.5.5 BIẾN TÍNH TINH BỘT LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT ĐƯỜNG OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA 19

1.6 GIỚI THIỆU ĐƯỜNG SACAROZA 19

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 21

2.1 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU 21

2.1.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .21

2.1.1.1 Xác định mức độ thuỷ phân tinh bột để làm nguyên liệu cho quá trình gắn kết 21 2.1.1.2 Thủy phân tinh bột làm nguyên liệu cho quá trình gắn kết giữa tinh bột và

2.1.1.4 Xác định các điều kiện thích hợp cho quá trình gắn kết 21

2.1.1.5 Phương pháp làm sạch dịch bằng than hoạt tính và trao đổi ion 21

2.1.1.6 Phương pháp cô đặc sản phẩm 22

2.1.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 22

2.1.2.1 Xác định nồng độ chất khô bằng chiết quang kế 22

2.1.2.2 Xác định pH bằng máy đo pH Orion, Model 410 (Mỹ) 22

2.1.2.3 Xác định nồng độ dịch bột bằng bome kế 22

2.1.2.4 Xác định độ nhớt của dịch thủy phân bằng máy đo độ nhớt Brookfield (Đức) 22

2.1.2.5 Xác định độ ẩm bằng máy phân tích độ ẩm Precisa HA 60 (Thụy Sĩ) 22

2.1.2.6 Xác định DE (đường khử) theo phương pháp phân tích Lane- Eynon 22

2.1.2.7 Phương pháp xác định hàm lượng tinh bột bằng phương pháp Bec-tơ-răng 22

2.1.2.8 Phương pháp xác định hàm lượng dextrin bằng phương pháp kết tủa cồn 22

2.1.2.9 Định tính cyclodextrin bằng phương pháp sắc ký bản mỏng (TLC) 22

2.1.2.10 Xác định độ trong của dịch đường bằng phương pháp đo OD ở bước sóng 230 nm 23

2.1.2.11 Xác định các ion kim loại bằng phương pháp hóa học 23

2.1.2.12 Xác định hiệu suất chuyển hóa đường sacaroza 23

2.1.2.13 Xác định hiệu suất chuyển hóa tinh bột 24

2.1.2.14 Xác định các thành phần đường trong sản phẩm oligoglucosyl fructoza bằng phương pháp HPLC 24

2.1.2.15 Xác định maltosyl fructoza và maltotriosyl fructoza, maltotetraosyl fructoza bằng phương pháp HPLC 24

2.1.2.16 Phân tích kiểm tra vi sinh vật 24

2.2 THIẾT BỊ, DỤNG CỤ, NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ HOÁ CHẤT 25

2.2.1 NGUYÊN LIỆU .25

2.2.2 HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ 25

2.2.2.1 Hóa chất 25

2.2.2.2 Thiết bị, dụng cụ 26

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 NGHIÊN CỨU THỦY PHÂN TINH BỘT LÀM NGUYÊN LIỆU CHO QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ĐƯỜNG OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA 27

3.1.1 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ THỦY PHÂN TINH BỘT ĐẾN QUÁ TRÌNH GẮN KẾT 27

3.1.2 NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN THUỶ PHÂN TINH BỘT ĐỂ TẠO DỊCH THUỶ PHÂN CÓ DE 15 28

3.1.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ enzim dịch hoá đến quá trình thủy phân tinh bột tạo dịch DE 15 28

3.1.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình thủy phân tinh bột tạo dịch

DE 15 31 3.1.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian thủy phân tinh bột tạo dịch DE 15 32

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân tinh bột tạo dịch bột DE 15 32

3.1.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân tinh bột tạo dịch DE 15 33 3.2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA 34

3.2.1 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN ENZIM THÍCH HỢP TRONG QUÁ TRÌNH GẮN KẾT TINH BỘT THUỶ PHÂN VỚI SACAROZA 34 3.2.2 NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN THÍCH HỢP TRONG QUÁ TRÌNH GẮN KẾT TINH BỘT THUỶ PHÂN DE 15 VỚI SACAROZA 35

3.2.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ sacaroza / tinh bột thuỷ phân đến hiệu suất chuyển hóa tạo đường oligoglucosyl fructoza 35 3.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ enzim đến hiệu suất chuyển hóa trong quá trình gắn kết 36 3.2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình gắn kết đến hiệu suất chuyển hóa 37 3.2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian trong quá trình gắn kết đến hiệu suất chuyển hóa 38 3.2.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH trong quá trình gắn kết đến hiệu suất chuyển hóa sacaroza và tinh bột tạo đường oligoglucosyl fructoza 39 3.2.2.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ dịch bột thuỷ phân DE 15 trong quá trình gắn kết đến hiệu suất chuyển hóa 40

3.2.3 NGHIÊN CỨU LÀM SẠCH VÀ THU HỒI SẢN PHẨM SIRO OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA 41

3.2.3.1 Làm sạch dịch bằng than hoạt tính 41 3.2.3.2 Làm sạch dịch bằng trao đổi ion 42 3.2.3.3 Thu hồi sản phẩm siro oligoglucosyl fructoza bằng phương pháp cô chân không.43 3.2.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ chất khô trong sản phẩm tới quá trình bảo quản 44

3.3 TỔ CHỨC SẢN XUẤT VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM QUY MÔ THỰC NGHIỆM .46

3.3.1.Tổ chức sản xuất qui mô thực nghiệm tại xưởng VCNTP 46 3.3.2 Một số hình ảnh sản xuất đường oligoglucosyl fructoza ở quy mô thực nghiệm tại Viện CNTP 47 3.3.3 Đánh giá chất lượng sản phẩm 50 3.3.4 Xây dựng sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất oligoglucosyl fructoza bằng phương

3.4 ỨNG DỤNG SIRO OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA TRONG CHẾ BIẾN THỰC

PHẨM, DƯỢC PHẨM 53

3.4.1.Ứng dụng sản phẩm siro oligoglucosyl fructoza trong sản xuất sữa chức năng cho người già kém ăn thuộc đề tài trọng điểm cấp nhà nước KC.07/06-10 (2008-2010) 53

3.4.2 Ứng dụng sản phẩm siro oligoglucosyl fructoza trong sản xuất kẹo cứng 54

3.4.3 Ứng dụng sản phẩm siro oligoglucosyl fructoza trong sản xuất dược phẩm 55

3 5 SƠ BỘ TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH SẢN PHẨM SIRO OLIGOGLUCOSYL FUCTOZA 56

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

4.1 KẾT LUẬN 57

4.2 KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Các oligosacarit thương mại và chức năng của chúng 3

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ tinh bột / sacaroza đến quá trình tạo coupling sugar bằng enzim CGTaza 5

Bảng 1.3 Ảnh hưởng của DE dịch hóa tới sự tạo thành cyclodextrin 6

Bảng 1.4 Ảnh hưởng của các loại tinh bột, các phương pháp dịch hóa và các giá trị DE khác nhau đến quá trình chuyển hóa đường coupling sugar 8

Bảng 1.5 Hiện trạng sản xuất, chế biến và sử dụng sắn ở một số nước năm 2009 18

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của DE dịch hoá đến khả năng tạo CD trong quá trình gắn kết 28

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ enzim đến quá trình thủy phân tinh bột tạo dịch thuỷ phân DE 15 29

Bảng 3.3 Tính chất của dịch thủy phân tinh bột ở các nồng độ tinh bột khác nhau 30

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình thủy phân tinh bột tạo dịch DE 15 31

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân tinh bột tạo dịch bột DE 15 32

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân tinh bột tạo dịch DE 15 33

Bảng 3.7 Lựa chọn enzim thích hợp trong quá trình gắn kết tinh bột thuỷ phân với sacaroza 35

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ sacaroza / tinh bột thuỷ phân đến hiệu suất chuyển hóa tạo đường oligoglucosyl fructoza 36

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ enzim đến hiệu suất chuyển hóa trong quá trình gắn kết tạo đường oligoglucosyl fructoza 37

Bảng 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình gắn kết đến hiệu suất chuyển hóa tạo đường oligoglucosyl fructoza 38

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của thời gian trong quá trình gắn kết đến hiệu suất chuyển hóa sacaroza và dịch bột DE 15 39

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của pH trong quá trình gắn kết đến hiệu suất chuyển hóa tạo đường oligoglucosyl fructoza 40

Bảng 3.13 Ảnh hưởng của nồng độ dịch bột thuỷ phân tới hiệu suất chuyển hóa 41

Bảng 3.14 Ảnh hưởng của tỷ lệ than hoạt tính đến độ trong của dịch 42

Bảng 3.15 Tinh sạch dịch đường oligoglucosyl fructoza bằng trao đổi ion 43

Bảng 3.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ cô đến chất lượng sản phẩm 44

Bảng 3.17 Ảnh hưởng của nồng độ chất khô trong sản phẩm tới quá trình bảo quản 45

Bảng 3.18 Kết quả triển khai sản xuất đường oligoglucosyl fructoza ở qui mô thực nghiệm 46

Bảng 3.19 Kết quả phân tích chất lượng sản phẩm 50

Bảng 3.21 Lựa chọn nồng độ đường coupling sugar bổ sung vào sản phẩm sữa cho người già 54

DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ

Trang

Hình 1.1 Cơ chế gắn kết tạo thành đường coupling sugar 2

Sơ đồ 3.1 Quy trình công nghệ sản xuất đường siro oligoglucosyl fructoza bằng phương pháp enzim 52

10 TCVN Tiêu chuẩn Việt nam

11 VCNTP Viện công nghiệp thực phẩm

12 E.coli Escherichia coli

14 VKHK Vi khuẩn hiếu khí

15 MPN Most Probable Number

16 CFU Colony Forming Unit

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Xây dựng được qui trình công nghệ sản xuất đường oligoglucosyl fructoza bằng phương pháp enzim ứng dụng trong chế biến thực phẩm và dược phẩm

¾ Nghiên cứu các điều kiện thuỷ phân tinh bột làm nguyên liệu cho quá

trình sản xuất đường oligoglucosyl fructoza

¾ Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ sản xuất đường oligoglucosyl

fructoza bằng phương pháp enzim.

- Nghiên cứu lựa chọn enzim gắn kết giữa tinh bột biến tính và sacaroza

- Nghiên cứu các điều kiện công nghệ thích hợp cho quá trình gắn kết

- Nghiên cứu làm sạch và thu hồi sản phẩm siro oligoglucosyl fructoza

¾ Tổ chức sản xuất và đánh giá chất lượng sản phẩm quy mô thực nghiệm

¾ Ứng dụng siro oligoglucosyl fructoza trong chế biến thực phẩm, dược

phẩm

¾ Viết báo cáo tổng kết, nghiệm thu đề tài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ĐƯỜNG OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA TRÊN THẾ GIỚI

Thị trường tiêu thụ thực phẩm chức năng càng ngày càng lớn mạnh trên toàn thế giới Năm 1999, thực phẩm chức năng của Mỹ có doanh thu đạt 250

tỷ USD, chiếm 50% tổng giá trị thực phẩm (507 tỷ USD) Trong khi đó, thị trường châu Âu, tổng giá trị thực phẩm chức năng có thể đạt 500 tỷ USD Theo Báo cáo phân tích chiến lược của các thị trường thực phẩm chức năng ở Đông Nam Á của hãng Frost và Sullivan cho biết thu nhập từ các thực phẩm chức năng trong khu vực đạt hơn 2.300 triệu USD trong năm 2005 và được trông đợi sẽ đạt 4.805 triệu USD vào năm 2012 Không chỉ các nước công nghiệp sản xuất thực phẩm chức năng mà các nước đang phát triển cũng rất chú trọng đến các loại mặt hàng mới này, đặc biệt là Trung Quốc, Braxin, Mexico, Thái Lan

Nghiên cứu sản xuất các thực phẩm chức năng để phòng bệnh và chữa bệnh trong cuộc sống hiện đại ngày nay đang là vấn đề cấp bách được đạt ra,

một trong những sản phẩm đó là đường oligoglucosyl fructoza

Oligoglucosyl fructoza hay còn gọi là “coupling sugar” được sản xuất

từ sự kết hợp của tinh bột chuyển hoá với đường sacaroza bằng mối liên kết α (1-4) glucozit, dưới tác dụng của enzim cyclodextrin glucosyltransferaza Oligoglucosyl fructoza có công thức: [α-D-glucopyranosyl-(1-4)]n-α-D-glucopyranosyl-(1-2)-β-D-fructofuranoside (n=1-15) Đặc điểm của sản phẩm này không có màu, mặc dù chịu sự tác dụng của nhiệt độ với sự có mặt của protein hoặc peptit [25]

Oligoglucosyl fructose Hình 1.1 Cơ chế gắn kết tạo thành đường coupling sugar [18]

Chất lượng của sản phẩm phụ thuộc vào hàm lượng tinh bột đưa vào dịch hóa và hàm lượng sacaroza thích hợp cho sự gắn kết, thông thường phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng sacaroza, nếu nồng độ tinh bột dịch hóa cao mà nồng độ sacaroza lại thấp thì lượng tinh bột đã được dịch hóa không thể kết hợp hoàn toàn với sacaroza, trong trường hợp nếu hàm lượng sacaroza lại cao hơn nhiều so với tinh bột dịch hóa thì sau khi gắn kết hết với các dextrin thì sacaroza vẫn còn dư nhiều trong sản phẩm cuối cùng Ngoài ra dạng đường này cũng được tạo ra khi phối hợp giữa cyclodextrin với sacaroza dưới tác

dụng của một loại enzym được sinh tổng hợp từ vi khuẩn Bacillus macerans [25]

Oligoglucosyl fructoza có thể được cô đặc thành siro hay sấy phun thành dạng bột được ứng dụng trong rất nhiều loại thực phẩm, đồng thời còn được ứng dụng trong mỹ phẩm và hóa phẩm [20]

Tính chất của oligoglucosyl fructoza [17, 20]:

- Có độ ngọt vừa phải (bằng 60% so với đường sacaroza), có vị ngọt dịu, tan nhanh và giữ được hương vị đặc trưng của sản phẩm vì

vậy trong chế biến thực phẩm có thể thay thế đường sacaroza để nâng cao chất lượng sản phẩm

- Có năng lượng thấp - chống bệnh béo phì, huyết áp…

- Đặc biệt oligoglucosyl fructoza là chất ngọt có khả năng phòng

chống các bệnh sâu răng bởi các vi khuẩn miệng như Streptococcus mutans và các vi khuẩn miệng khác chỉ có khả năng sản xuất ra

glucan không tan trong nước tạo mảng bám và các axit hữu cơ gây sâu răng từ đường sacaroza, glucoza, fructoza

Đầu thập kỷ 70, rất nhiều các loại đường oligosacarit được tiến hành nghiên cứu như: fructo-oligosacarit, galacto-oligosacarit và xylo-oligosacarit Nhưng kể từ khi các nhà khoa học tìm hiểu tính chất và đặc tính chức năng của chúng có lợi cho sức khỏe con người thì mới được quan tâm nghiên cứu

nhiều Ứng dụng enzim chuyển hóa để sản xuất đường “Coupling sugar” đã

được một số nhà khoa học Nhật Bản quan tâm nghiên cứu từ năm 1970 Đến năm 1979 thì sản phẩm “Coupling sugar®” đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp và trở thành sản phẩm thương mại bán trên thị trường.[19]

Bảng 1.1 Các oligosacarit thương mại và chức năng của chúng [19]

TT Oligosacarit thương mại Năm sản

Năm 1983, đường “Coupling sugar” cũng được các nhà khoa học Anh

là K.J Parker và M.G Lindley quan tâm nghiên cứu Năm 1986, các tác giả người Mỹ là L.O Nabors và R.C Gelard nghiên cứu và được công bố trong cuốn “Các chất ngọt thay thế” của nhà xuất bản New York [27]

Theo tài liệu của Công ty Hayashibara (Nhật bản), thành phần siro

“coupling sugar” bao gồm: oligoglucosyl fructoza chiếm tới 50%, còn lại là sacaroza dư, đường khử và dextrin còn lại Việc nâng cao hàm lượng oligoglucosyl fructoza trong sản xuất công nghiệp là rất khó khăn Tuy nhiên, Miyake và cộng sự đã ứng dụng nhựa cation có tính axit mạnh vào xử lý dịch siro oligoglucosyl fructoza, kết quả là đã nâng cao hàm lượng đường này lên 60% trong dịch siro [20]

Trên thế giới oligoglucosyl fructoza đã được nghiên cứu và sản xuất ở nhiều nước như Nhật Bản, Mỹ, Pháp, Trung Quốc, đặc biệt ở Nhật việc khuyến cáo sử dụng đường oligoglucosyl fructoza để phòng bệnh sâu răng, béo phì rất phát triển Oligoglucosyl fructoza thường được sản xuất dưới dạng siro hoặc dạng bột Teresa Martin và cộng sự (Tây ban Nha) [18] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ giữ tinh bột chuyển hoá và sacaroza trong quá trình gắn kết với tác dụng của enzim CGTaza được tổng hợp từ vi khuẩn

Thermoanaerobacter.sp, có tên thương mại là Toruzim 3.0L (Novo - Đan

Mạch) Phản ứng được tiến hành với các điều kiện sau: nồng độ dịch tinh bột 10%, nhiệt độ gắn kết 55- 600C trong thời gian 48 giờ

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ tinh bột / sacaroza đến quá trình tạo

coupling sugar bằng enzim CGTaza [18]

TT Tỷ lệ tinh

bột/sacaroza

(w/w)

Matooligosyl fructoza (g/l)

Hiệu suất chuyển hóa tinh bột thành Matooligosyl fructoza (%)

Hiệu suất chuyển hóa tinh bột thành CD (%)

Một số nhà nghiên cứu khác cho rằng khi dịch hóa tạo ra các oligosacarit mạch thẳng có độ polime hóa (DP) cao hay thấp là rất quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Nếu dịch hóa có độ DP > 10 thì dưới tác dụng của enzim, sự gắn kết xảy ra ở bên trong mạch của các phân tử dextrin

sẽ tạo thành các phân tử vòng (ví dụ: cyclodextrin) làm đục sản phẩm cuối cùng Do vậy, người ta đã xác định được độ DP của dịch hóa < 8 không xảy

ra sự gắn kết sacaroza vào bên trong phân tử dextrin và sẽ không có khả năng tạo ra các phân tử đường có cấu tạo vòng

Một nghiên cứu khác đã xác định sự ảnh hưởng của DE trong quá trình dịch hóa đã được tiến hành trên loại tinh bột khoai tây, sử dụng nồng độ tinh bột 6% đem dịch hóa ở 650C dưới tác dụng của enzim amylaza, cho thấy mức

độ dịch hóa có DE đạt trên 10 thì khả năng gắn kết tốt hơn so với DE đạt 7, và không tạo ra sản phẩm phụ là các cyclodextrin

Bảng 1.3 Ảnh hưởng của DE dịch hóa tới sự tạo thành cyclodextrin [25]

TT Thời gian dịch hóa

Thí nghiệm khác cho thấy, sau khi dịch hóa tinh bột khoai tây với nồng

độ 11% bằng enzim dịch hoá đạt DE 16, bổ sung 10% sacaroza (theo thể tích

dịch hóa), enzim CGTaza từ chủng Bacillus macerans với nồng độ 0,05% và

phản ứng được tiến hành ở 400C trong 2 ngày, dịch sau khi kết thúc phản ứng được xử lý bằng than hoạt tính 0,5% (theo tỷ lệ chất khô), sau đó tiếp tục qua trao đổi ion và cô đặc dưới điều kiện áp suất thấp, kết quả chỉ có 15% đường sacaroza được gắn kết thành oligoglucosyl fructoza, sản phẩm còn chứa nhiều sacaroza dư, nhưng cũng thí nghiệm này, tác giả chỉ bổ sung 1% sacaroza thì cho kết quả 50% lượng đường sacaroza đã gắn kết với oligosacarit [25] Như vậy tỉ lệ sacaroza đưa vào cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất gắn kết và chất lượng của sản phẩm cuối cùng

Tinh bột khoai lang với nồng độ 40%, pH 6 được dịch hóa bằng enzim amylaza nồng độ 0,2% ở 85-900C thành dịch có DE 13,4 và 22,6 Dịch hóa

này được bổ sung 2 đơn vị dịch môi trường lên men của Bacillus macerans và

10 đơn vị enzim α-1,6-glucozidaza của Lactobacillus platarum ATCC 8008 trên một gam tinh bột, đồng thời bổ sung dung dịch fructoza theo tỷ lệ 1 : 3 so với tinh bột Hỗn hợp này được giữ nhiệt độ 550C, pH 6,0 trong 72 giờ Kết thúc phản ứng được diệt enzim bằng cách đun sôi Sau đó tiếp tục xử lý bằng than hoạt tính, trao đổi ion và cô đặc Kết quả cho thấy dịch đường có nồng

độ 75% không bị kết tinh trở lại và tỉ lệ chuyển hóa đạt được: đối với dịch

tinh bột có DE 13,4 và 22,6 cho hiệu suất chuyển hóa đường coupling sugar tương ứng là 50,2% và 40,8% và dịch tinh bột DE 13,4 tạo ra một lượng ít

CD, trong khi đó dịch có DE 22,6 thì không phát hiện thấy tạo thành CD [25]

Như các điều kiện thí nghiệm trên, nhưng tác giả đã bổ sung lượng sacaroza so với tinh bột là 1 : 1 Kết quả cho thấy dịch tinh bột có DE 13 có hiệu suất chuyển hóa tăng hơn nhưng lại xuất hiện 1% CD gây đục sản phẩm Trong thí nghiệm này tác giả đã bổ sung 15 đơn vị α-1,6-glucozidaza của

chủng Lactobacillus và amylaza của Bacillus macerans thì cho kết quả

chuyển hóa tăng 2-3% và đồng thời giảm thời gian lọc 20-50% [25]

Tinh bột khoai tây với nồng độ 45% được dịch hóa bằng axit oxalic với nồng độ 0,2% (so với tinh bột) ở điều kiện áp suất 2 atm trong 10-15 phút đạt

DE 20, sau đó trung hòa đến pH 5 và bổ sung dung dịch 34% sacaroza với số lượng tương đương với hàm lượng chất khô có trong dịch và 2 đơn vị enzim

amylaza của Bacillus macerans sao cho hỗn hợp dung dịch có nồng độ cơ

chất 45% Phản ứng được tiến hành ở pH 6, 550C, nồng độ cơ chất 45% và trong 60 giờ Kết thúc phản ứng, làm bất hoạt enzim và xử lý than hoạt tính, trao đổi ion Dịch đường được cô đặc đến 75 - 80%, sản phẩm không có hiện tượng kết tinh và không tạo ra CD, thành phần chủ yếu là oligoglucosyl fructoza [25]

Dưới đây là bảng số liệu cho thấy ảnh hưởng của các loại tinh bột, các phương pháp dịch hóa và các giá trị DE khác nhau đến quá trình chuyển hóa đường coupling sugar [27]

Bảng 1.4 Ảnh hưởng của các loại tinh bột, các phương pháp dịch hóa và

các giá trị DE khác nhau đến quá trình chuyển hóa đường coupling sugar

Loại tinh bột Tinh bột

sắn

Tinh bột khoai lang

Tinh bột khoai tây

(F: fructoza; S34- dung dịch chứa 34%sacaroza, S- sacaroza)

Một nghiên cứu khác trên tinh bột ngô sau khi được dịch hóa bằng

amylaza đạt DE = 5, sau đó bổ sung sacaroza với tỉ lệ 1:1 với xúc tác của

enzim CGTaza từ chủng Aspergillus niger thì cho kết quả chuyển hóa đường

đạt 35% [26] Như vậy cơ chất tinh bột khác nhau thì cho kết quả gắn kết

cũng khác nhau

Naoto Tsuyama (Nhật bản) thử nghiệm 20 phần tinh bột được bổ sung

60 phần là nước, sau đó tiến hành dịch hóa bằng enzim tại 88-900C tại pH 6,0

đat được DE = 5 Dịch thủy phân được làm mát đến 550C, bổ sung tiếp 20

phần sacaroza và 10 đơn vị enzim CGTaza, phản ứng được tiến hành ở 500C,

pH 6 trong 72 giờ Sau đó dịch hỗn hợp được xử lý bằng than hoạt tính và

trao đổi nhựa ion Kết quả phân tích đường coupling sugar cho thấy tỷ lệ

đường sacaroza kết hợp với oligosacarit (hiệu suất chuyển hoá đường) đạt

59,5% so tổng số sacaroza đưa vào [21]

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ĐƯỜNG OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA Ở VIỆT NAM

Xu hướng sử dụng đường chức năng ngày một tăng cao không chỉ ở trên thế giới mà còn ở trong nước Rất nhiều các sản phẩm đường chức năng nhập ngoại, giá thành rất đắt, trong khi đó, Việt Nam có nguồn nguyên liệu như tinh bột, sacaroza,… dồi dào, và hoàn toàn có thể nghiên cứu, sản xuất được trong nước

Tại Việt Nam, đã và đang có một số công trình nghiên cứu về đường chức năng như đường sorbitol, fructooligosacarit (FOS), Đường FOS là oligoza mạch thẳng bắt đầu bằng một phân tử đường sacaroza kết hợp với 1, 2 hoặc 3 gốc fructoza thông qua mối liên kết β (1-2) glucozit bởi enzim fructosyltransferaza Đường FOS có độ ngọt thấp, có tác dụng chống béo phì, tiểu đường, không gây sâu răng

Trong khi đó, việc nghiên cứu và sản xuất oligoglucosyl fructoza còn rất mới mẻ Đến nay, chưa thấy có một công bố nào về nghiên cứu sản xuất oligoglucosyl fructoza Lượng oligoglucosyl fructoza sử dụng trong nước đều hoàn toàn thông qua nhập khẩu từ nước ngoài Vì vậy, xây dựng được một quy trình sản xuất oligoglucosyl fructoza phù hợp với điều kiện trong nước rõ ràng là một hướng đầu tư rất hợp lý và hiệu quả Trước hết, sản xuất oligoglucosyl fructoza trong nước sẽ góp phần khai thác hiệu quả tiềm năng nguyên liệu (sắn) của nước ta Sản phẩm thu được sẽ đáp ứng nhu cầu trong nước mà không phải nhập khẩu từ nước ngoài nên giá thành sẽ hợp lí hơn Hơn nữa nó sẽ đưa trình độ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sinh học của Việt Nam lên tầm cao hơn

Với mục tiêu đó và trong phạm vi của đề tài này, nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra là xây dựng được một quy trình công nghệ sản xuất oligoglucosyl fructoza bằng phương pháp enzim, phù hợp với điều kiện Việt Nam và ứng

dụng oligoglucosyl fructoza vào công nghệ chế biến thực phẩm và dược phẩm

1.3 GIỚI THIỆU ENZIM

1.3.1 ENZIM DỊCH HÓA: AMYLEX ® HT

Amylex®HT là tên thương mại của enzim thuộc nhóm α- amylaza, dạng lỏng và chịu nhiệt Amylex®HT có suất xứ từ Mỹ được sản xuất bằng công nghệ cao, tự động hóa Amylex®HT là enzim đạt tiêu chuẩn thực phẩm, làm giảm nhanh độ nhớt của dịch tinh bột và sinh ra một lượng lớn các dextrin phân tử thấp

Công dụng: Amylex®HT sử dụng trong công nghệ tinh bột để dịch hóa tinh bột sinh ra dịch dextroza phân tử thấp Do khả năng chịu nhiệt, khoảng pH hoạt động rộng 4,0 – 7,0 và nhu cầu calcium thấp nên amylex®HT có thể dịch hóa tinh bột ở nhiệt độ cao khoảng 80 – 90oC mà không cần bổ sung thêm canxium

Đặc điểm: Amylex®HT là dung dịch màu nâu Enzim có mùi nhẹ đặc trưng của những sản phẩm lên men, tan trong nước, bị mất hoạt tính ở pH < 4,0, pH > 7,0; enzim bị ức chế ở nhiệt độ trên 90oC; mất hoạt tính hoàn toàn khi đưa lên 100oC, trong thời gian nhất định

Liều lượng: Liều lượng sử dụng tùy thuộc bản chất và nồng độ cơ chất,

chỉ số DE của dịch dextroza cuối, pH dịch bột và nhiệt độ dịch hóa, thời gian dịch hóa (thông thường là 30 - 120 phút) Liều lượng enzim khuyến cáo: Tỷ lệ

sử dụng không quá 0,5 kg amylex®HT /tấn tinh bột khô

1.3.2 ENZIM GẮN KẾT: CYCLODEXTRIN GLUCOSYLTRANSFERAZA (CGTAZA) 1.3.2.1 Nguồn sinh tổng hợp CGTaza

Cyclodextrin glucosyltransferaza (CGTaza) hay còn gọi là cyclodextrin glucanotransferaza, danh pháp quốc tế là 1,4-α-D-glucan 4-α-D-(1,4-α-D-glucano) transferaza (EC 2.4.1.19) là enzim thuộc họ α-amylaza [15] Enzim này còn được xếp vào loại exo- enzim và không có khả năng cắt các điểm

phân nhánh trong phân tử tinh bột Trong khi các enzim amylaza chủ yếu thuỷ phân các cầu nối glycozit trong phân tử tinh bột thì CGTaza chủ yếu là xúc tác phản ứng chuyển glucozyl hoá còn với hoạt tính thuỷ phân tương đối thấp [8] CGTaza được sinh tổng hợp từ nhiều chủng vi khuẩn thuộc giống

Bacillus, như: B.macerans, B.ohbensis, B.stearothermophilus, B.firmus, B licheniformis, B.agaradhaerens và từ các chủng khác như Flavobacterium sp., Klebsiella pneumoniae, Brevibacterium, Micrococcus sp.[7, 10, 13] Các chủng này còn được đột biến hay tái tổ hợp gen nhằm có được một đặc tính mong muốn nào đó Enzim từ các nguồn khác nhau có tính chất và độ đặc hiệu sản phẩm khác nhau

1.3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của CGTaza

Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động xúc tác của CGTaza cũng tương

tự như đối với một enzim nói chung Đó là nồng độ dịch tinh bột, nồng độ enzim, pH, nhiệt độ, các chất hoạt hoá và kìm hãm… Sau đây ta sẽ lần lượt xem xét sự ảnh hưởng của các yếu tố này

* Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất

Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đối với enzim được thể hiện qua phương trình Michaelis-Menten:

[ ]

][

max

S K

S v v

đại Tuy nhiên, cũng như một số enzim khác, CGTaza bị ức chế trong trường hợp thừa cơ chất

* Ảnh hưởng của nồng độ enzim

Đối với các enzim nói chung, trong điều kiện thừa cơ chất, vận tốc phản ứng phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzim:

v = k [E] với [E] là nồng độ enzim Cũng có trường hợp khi nồng độ enzim quá lớn, vận tốc phản ứng tăng chậm [3]

* Ảnh hưởng của nhiệt độ

Đối với CGTaza, nhiệt độ tối ưu và độ bền nhiệt khác nhau tùy thuộc vào nguồn enzim Đa số các CGTaza có khoảng nhiệt độ hoạt động vào khoảng 35 - 700 C, nhiệt độ tối ưu khoảng 50 - 650 C [7, 12, 23] Cá biệt có

một số enzim bền nhiệt từ các chủng như B stearothermophilus, Thermoanaerobacter, nhiệt độ tối ưu có thể lên tới 80 - 900C [15, 22] Độ bền nhiệt của các CGTaza có thể tăng lên với sự có mặt của Ca2+ và một số ion khác

* Ảnh hưởng của các chất kìm hãm

Hoạt độ của CGTaza có thể bị kìm hãm bởi một số chất như Cu2+, Fe2+,

Hg2+, N-bromosuccinimide,…Ngoài ra, CGTaza bị kìm hãm bởi thừa cơ chất [14] và bởi sản phẩm của phản ứng [11, 24, 29] Sự kìm hãm này làm giảm vận tốc và hiệu suất phản ứng nên cũng là một yếu tố rất đáng quan tâm

1.4 ỨNG DỤNG CỦA ĐƯỜNG COUPLING SUGAR

1.4.1 ỨNG DỤNG TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM:

Oligoglucosyl fructoza hay “coupling sugar” là một loại đường chức

năng, có năng lượng thấp, có khả năng phòng chống các bệnh về răng miệng, béo phì và có lợi cho vi sinh vật đường ruột trong quá trình tiêu hóa [17] Với các đặc tính hữu ích của nó, trên thế giới các nhà sản xuất thực phẩm đang có nhu cầu sử dụng nhiều sản phẩm này thay thế các loại đường khác trong chế biến thực phẩm như trong ngành sản xuất sữa (sữa đặc, sữa bột), sản xuất bánh kẹo (kẹo cao su, bánh xốp, kẹo cứng, bánh bích qui, mứt quả, súp ăn liền,…), đồ uống (nước quả, đồ uống lên men lactic, nước sô đa, ca phê tan,…), thực phẩm đóng hộp (rau quả ,thịt cá) [26]

Naoto Tsuyama (Nhật bản) đã ứng dụng đường coupling sugar trong sản xuất sữa đặc và sữa bột Sau khi điều chỉnh hàm lượng chất béo thích hợp trong sữa, tác giả đã bổ sung đường coupling sugar (trong đó hơn 50% là oligoglucosyl fructoza) vào sữa và đem cô đặc ở áp suất thấp tạo ra sản phẩm sữa đặc có độ chất khô 50% hoặc đem sấy phun được sản phẩm sữa bột Các sản phẩm sữa này có độ hòa tan cao và có hàm lượng glucoza, sacaroza rất nhỏ nên khi người tiêu dùng sử dụng chúng không bị ảnh hưởng tới răng do không tạo ra axit hữu cơ từ glucoza và sacaroza bởi vi sinh vật trong miệng [21]

Trong sản xuất bột cà phê tan, dịch chiết cà phê có nồng độ chất khô 30% được bổ sung lượng đường coupling sugar 10% (trong coupling sugar có

≥ 50% là oligoglucosyl fructoza), sau đó cô đặc hỗn hợp đến 500Bx và đem sấy đông khô Bằng sử dụng loại đường này, sản phẩm đã giữ được hương thơm tự nhiên của cà phê và không ảnh hưởng xấu đến răng

Trong sản xuất bánh mì, coupling sugar (50% là oligoglucosyl fructoza) được sử dụng 5% (so với lượng bột mì), số glucoza và sacaroza được nấm men bánh mì sử dụng hết trong quá trình lên men để tạo độ mịn của

bánh, do vậy oligoglucosyl fructoza đã tạo vị ngọt dịu trong sản phẩm và còn

có tác dụng ngăn chặn bệnh về răng

Trong sản xuất kẹo cứng, coupling sugar cũng được ứng dụng làm kẹo dòn và không bị kết tinh đường và đặc biệt không có nguy cơ gây bệnh răng nhất là đối với trẻ em

Đồ uống lactic là một sản phẩm nước uống rất có lợi cho sức khỏe con người, do vậy coupling sugar cũng đã được sử dụng trong quá trình sản xuất Sản phẩm đồ uống này có vị ngọt mát và cũng ngăn chặn bệnh răng, bệnh béo phì

Trong sản xuất đào đóng lọ, dung dịch rót lọ đã sử dụng đường coupling sugar 30% Sản phẩm có độ ngọt dịu và giữ được hương thơm tự nhiên

Kẹo cao su có chứa đến 80% đường coupling sugar, 20% là gum và các hương liệu Độ ngọt của kẹo được giữ lại trong miệng lâu hơn và cũng như các sản phẩm khác cũng ngăn chặn các bệnh răng do sản phẩm không chứa glucoza, sacaroza

Trong sản xuất sô cô la, hàm lượng đường coupling sugar được sử dụng 50% Sản phẩm có hình dạng đẹp và mịn, độ ngọt mát, giữ được vị đắng của

ca cao, hòa tan tốt và cũng ngăn chặn các bệnh răng.[21]

1.4.2 ỨNG DỤNG TRONG DƯỢC PHẨM:

Oligoglucosyl fructoza hay coupling sugar được tạo ra bởi sự kết hợp sacaroza với các polysacarit dưới sự tác dụng của enzim glycosyltransferaza Khi sử dụng đường sacaroza, glucoza,… sẽ tạo thành các dextran, levan,…ở trong miệng do một số vi khuẩn, các chất này bám trên bề mặt răng tạo mảng cao răng và một số vi khuẩn kị khí khác lên men tạo ra axit hữu cơ làm hỏng men răng Trái lại khi sử dụng đường oligoglucosyl fructoza thì không tạo thành mảng bám trên răng và hạn chế khả năng sinh axit hữu cơ Hàm lượng đường oligoglucosyl fructoza thường được bổ sung từ 1 – 20%, loại đường này không gây tác dụng với các thành phần khác có trong thuốc đánh răng và còn kéo dài thời gian sử dụng sản phẩm [21]

Với đặc tính không gây ảnh hưởng xấu đến răng miệng nên oligoglucosyl fructoza được sử dụng trong quá trình sản xuất kem đánh răng Thành phần kem đánh răng bao gồm: MgCO3 chiếm 40%, CMC (carboxylmethyl xenluloza) chiếm 50%, coupling sugar 1%, chất tẩy 1%, chất màu 0,02% và hương liệu 0,1% Trước tiên, CMC được hòa tan trong nước, sau đó coupling sugar được bổ sung vào và cuối cùng là MgCO3 và phụ gia hương liệu Hỗn hợp này được đóng gói thành typ thuốc đánh răng [21]

Với tính năng dễ hấp thụ, không có tác dụng phụ, che giấu được vị đắng trong thuốc,… nên oligoglucosyl fructoza được ứng dụng rất rộng rãi trong các công thức thuốc giảm đau, thuốc chống nhiễm trùng, thuốc chống dị ứng,… nhất là các sản phẩm sirô thuốc dành cho trẻ em

Ngoài ra, coupling sugar còn được ứng dụng trong sản xuất nước súc miệng, hay làm tá dược, bổ sung vào các sản phẩm thuốc chức năng, vào sản phẩm viên ngậm chống ho,

1.5 TINH BỘT

1.5.1 NGUỒN GỐC TINH BỘT [30]

Tinh bột tiếng Hy Lạp là amilon có công thức hóa học: (C6H10O5)n, là một polysacarit chứa hỗn hợp amyloza và amylopectin, tỷ lệ phần trăm amiloza và amilopectin thay đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, tỷ lệ này thường từ 20:80 đến 30:70 Tinh bột có nguồn gốc từ các loại cây khác nhau

có tính chất vật lý và thành phần hóa học khác nhau Chúng đều là gốc polymer carbohydrat phức tạp của glucose (công thức phần tử là C6H12O6 )

Tinh bột, cùng với protein và chất béo là một thành phần quan trọng bậc nhất trong chế độ dinh dưỡng của loài người cũng như nhiều loài động vật khác Ngoài sử dụng làm thực phẩm ra, tinh bột cũng được dùng trong công nghiệp sản xuất giấy, băng bó xương, Tinh bột được tách ra từ hạt như ngô và lúa mỳ, từ rễ và củ như sắn, khoai tây, dong là những tinh bột chính

Thuốc thử tinh bột là iốt, khi gặp iốt, tinh bột sẽ cho màu xanh

1.5.2 CẤU TRÚC CỦA TINH BỘT [4, 3, 30]

Tinh bột là một loại polysacarit tồn tại chủ yếu trong các hạt hoà thảo,

củ, thân và lá cây dưới dạng các hạt có kích thước từ 0,02 đến 0,12mm Hạt tinh bột của các nguồn thực vật khác nhau có hình dạng và kích thước khác nhau Nhìn chung hạt tinh bột có dạng hình tròn, hình bầu dục hay đa giác

Cấu tạo bên trong của hạt tinh bột khá phức tạp Hạt tinh bột có cấu tạo lớp, trong mỗi lớp có lẫn lộn các tinh thể amiloza và amilopectin sắp xếp theo phương hướng tâm và có các lỗ xốp không đồng đều Bên ngoài hạt tinh bột còn có vỏ bao chứa ít ẩm hơn bên trong, bền với các tác động bên ngoài và có các lỗ nhỏ cho phép các chất hoà tan có thể khuếch tán qua

Thường trong các loại tinh bột nếp (gạo nếp, ngô nếp) có gần như 100%

là amilopectin, trong khi đó ở tinh bột đậu xanh, có đến 50% là amiloza

Về cấu tạo hóa học, amiloza và amilopectin đều chứa các đơn vị cấu tạo là glucoza Ở amiloza, các gốc glucoza được gắn với nhau nhờ liên kết α-1,4 glucosit tạo thành một chuỗi dài gồm từ 200 - 1.000 gốc

Phân tử amiloza bao gồm một số chuỗi sắp xếp song song với nhau, trong đó các gốc glucoza của từng chuỗi cuộn vòng lại theo hình xoắn ốc Trong phân tử amilopectin, các gốc glucoza gắn với nhau bằng liên kết α-1,4 glucosit và α-1,6 glucosit Vì vậy, amilopectin thường có 20- 30 gốc glucoza giữa 2 điểm phân nhánh và chỉ có một đầu khử

phân tử amylose phân tử amylopectin

Hình 1.2 Cấu trúc phân tử amyloza và amilopectin

1.5.3 TÍNH CHẤT CỦA TINH BỘT [4]

Tính chất của tinh bột được quyết định bởi tính chất của 2 phần tử tạo nên tinh bột là amiloza và amilopectin và tỉ lệ giữa chúng Do cấu tạo phân tử khác nhau, amiloza và amilopectin có tính chất lý hoá khác nhau:

- Amiloza tác dụng với iốt sẽ cho phức hợp mầu xanh trong khi đó amilopectin cho mầu nâu Đó là do phân tử amiloza có dạng hình xoắn ốc nên hấp thụ được các phân tử iốt Amiloza dễ hoà tan trong nước ấm, tạo nên dịch

có độ nhớt không cao còn amilopectin chỉ hoà tan khi đun nóng và cho dịch

có độ nhớt cao Dịch amiloza không bền, nhất là ở nhiệt độ thấp, nó dễ dàng tạo nên dạng gel vô định hình, sau đó trở thành các gel tinh thể và các kết tủa không thuận nghịch

- Các phân tử amilopectin không có xu hướng kết tinh, chúng có khả năng giữ nước lớn nên dịch amilopectin thường không bị thoái hoá

1.5.4 TINH BỘT SẮN

1.5.4.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn

Trong những năm gần đây, diện tích trồng sắn nước ta tăng rất nhanh, đạt 497.000 ha/ năm 2007, và 510.000 ha/ năm 2008 Hiện nay, theo thống kê, sản lượng sắn của cả nước đạt khoảng trên 9 triệu tấn đứng thứ 7 trên thế giới

về sản lượng, và là nước đứng thứ 3 về xuất khẩu sắn chỉ sau Thái Lan và Indonesia [1, 9] Ở nước ta, cây sắn chuyển đổi nhanh chóng từ cây lương thực truyền thống sang cây công nghiệp ngắn ngày Sự hội nhập kinh tế toàn cầu đang mởi rộng thị trường sắn, tạo lên những cơ hội chế biến tinh bột, tinh bột biến tính, các sản phẩm đường, cồn sinh học, Các sản phẩm được ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và các nghành công nghiệp khác

Bảng 1.5 Hiện trạng sản xuất, chế biến và sử dụng sắn ở một số

nước năm 2009 [6]

Nước Sản lượng

(triệu tấn)

Hiện trạng sử dụng sắn

Nigeria 45,72 Thức ăn gia súc, tinh bột, tinh bột biến tính,

đường, sản xuất cồn, xuất khẩu,

Thái lan 22,58 Lương thực, tinh bột biến tính, tinh bột, bột

ngọt, cồn sinh học, đường, thức ăn gia súc, xuất khẩu,

Indonesia 19,92 Lương thực, tinh bột biến tính, tinh bột, cồn

sinh học, đường, thức ăn gia súc, xuất khẩu, Việt Nam 9,38 Lương thực, tinh bột biến tính, tinh bột, đường,

bột ngọt, cồn sinh học, thức ăn gia súc, xuất khẩu,

Nhà máy Vedan ở Đồng Nai có vốn đầu tư nước ngoài, công suất lớn nhất Đông Nam Á với các sản phẩm tinh bột, tinh bột biến tính bằng hoá chất, bột ngọt, lysin [2, 5] Trong 2-3 năm gần đây, công nghiệp chế biến tinh bột sắn đã tăng quá mức, không theo quy hoạch và trở thành “hội chứng”, tới mức

đã được cảnh báo rủi ro Nghiên cứu sản xuất những sản phẩm mới sau công nghiệp tinh bột sắn là một trong những định hướng quan trọng của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

1.5.4.2 Đặc tính tinh bột sắn

Tinh bột sắn có màu trắng sáng, có độ pH từ 5,5 - 6,5 Hạt tinh bột sắn có kích thước 5-40µm, chủ yếu là hình tròn, bề mặt nhẵn Hàm lượng amilopectin trong tinh bột sắn tương đối cao, chiếm 78 - 80% Tinh bột sắn

có độ nở, khả năng hồ hoá và độ hoà tan cao Nhiệt độ hồ hoá của tinh bột sắn 58-70oC Độ nhớt dung dịch tinh bột sắn tăng nhanh và có độ dính cao so với tinh bột từ các nguồn khác Hồ tinh bột sắn có xu hướng thoái hoá thấp và độ bền gel cao [3] Có thể dùng tinh bột sắn để sản xuất thức ăn chăn nuôi, miến,

hạt trân châu và các sản phẩm khác như: Tinh bột biến tính, maltodextrin, dextrin, glucoza, fructoza, cồn, mì chính, axit xitric,

1.5.5 BIẾN TÍNH TINH BỘT LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT ĐƯỜNG OLIGOGLUCOSYL FRUCTOZA

Tinh bột biến tính để sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất đường “coupling sugar” phải có khả năng tan hoàn toàn trong nước để có thể gắn kết được với đường sacaroza Mặt khác, quá trình thuỷ phân tinh bột tạo nguồn nguyên liệu có DE phù hợp cho quá trình gắn kết là rất quan trọng, nó quyết định đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm

1.6 GIỚI THIỆU ĐƯỜNG SACAROZA

Sacaroza là một disacarit (glucoza + fructoza) với công thức phân tử

C12H22O11 Tên gọi hệ thống của nó là fructofuranozit (kết thúc bằng "ozit" vì nó không phải là đường khử) Nó được biết đến nhiều vì vai trò của nó trong khẩu phần dinh dưỡng của con người và vì nó được hình thành trong thực vật chứ không phải từ các sinh vật khác Sacaroza còn được gọi với nhiều tên như đường kính (đường có độ tinh khiết cao), đường mía, đường củ cải, đường thốt nốt,…

α-D-glucopyranozyl-(1→2)-β-D-Công thức cấu tạo của sacaroza

Theo số liệu của Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn, niên vụ 2006

- 2007 sản lượng đường cả nước đạt 1,244 triệu tấn, các nhà máy sản xuất đường lớn đều đạt công suất trên 90% Những số liệu trên cho thấy ngành sản xuất đường mía đang là ngành hàng đem lại lợi nhuận cao cho các doanh nghiệp Việt Nam Còn vụ sản xuất mía đường 2008-2009 kết thúc, sản lượng

mới sẽ bắt đầu từ giữa tháng 9/ 2009 nên các nhà máy sẽ có đủ nguồn cung đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước

Tại Hội nghị tổng kết sản xuất mía đường vừa được tổ chức mới đây tại

Hà Nội, Hiệp hội Mía đường Việt Nam cho biết, niên vụ 2009/2010, diện tích mía nguyên liệu cả nước dự kiến sẽ vào khoảng 290.000 ha, tăng 19.400 ha so với vụ trước, trong đó diện tích vùng mía nguyên liệu tập trung của các nhà máy là 221.816 ha với năng suất mía bình quân đạt 55 tấn/ha và sản lượng mía nguyên liệu cả nước dự kiến đạt 16 triệu tấn [31]

Ở nước ta đường mía được sử dụng nhiều trong lĩnh vực chế biến thực phẩm, đặc biệt trong ngành sản xuất bánh kẹo, nhu cầu sử dụng đường mía của các doanh nghiệp bánh kẹo lên đến 120.000 – 130.000 tấn/ tháng Đường sacaroza có năng lượng cao, ngày nay việc sử dụng nhiều đường sacaroza trong chế biến thực phẩm có thể làm gia tăng bệnh béo phì, bệnh tiểu đường

và các bệnh răng miệng…Do vậy, việc chế biến thành các đường chức năng

để nâng cao giá trị sử dụng đường sacaroza trong thực phẩm là rất cần thiết trong tình hình hiện nay

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU

2.1.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.1.1 Xác định mức độ thuỷ phân tinh bột để làm nguyên liệu cho quá trình gắn kết

Tinh bột được thuỷ phân ở nhiều mức độ khác nhau (tạo giá trị DE khác nhau), sau đó cho gắn kết với đường sacaroza và được đánh giá bởi kết quả cuối cùng có tạo CD không? từ đó chọn giá trị DE thích hợp

2.1.1.2 Thủy phân tinh bột làm nguyên liệu cho quá trình gắn kết giữa tinh bột và sacaroza

Xác định các điều kiện ảnh hưởng tới quá trình thuỷ phân tinh bột tạo

DE đã lựa chọn ( nồng độ cơ chất tinh bột, nồng độ enzim, nhiệt độ, pH, thời gian, )

Đánh giá kết quả dịch hoá dựa vào chỉ số DE

2.1.1.3 Lựa chọn enzim gắn kết

Từ hai loại enzim CGTaza (Nhật Bản) và Toruzim 3.0L (Đan Mạch) trên thị trường Chúng tôi tiến hành lựa chọn loại enzim thích hợp cho quá trình gắn kết tạo coupling sugar

Để đánh giá kết quả dựa vào hiệu suất chuyển hóa đường sacaroza và hiệu suất chuyển hóa tinh bột

2.1.1.4 Xác định các điều kiện thích hợp cho quá trình gắn kết

Xác định các điều kiện ảnh hưởng tới hoạt động của enzim như: tỷ lệ sacaroza/ tinh bột, nồng độ enzim, nhiệt độ, pH, thời gian,…

Để đánh giá kết quả dựa vào hiệu suất chuyển hóa đường sacaroza và hiệu suất chuyển hóa tinh bột

Phương pháp làm sạch dịch thủy phân hay dịch sản phẩm coupling sugar bằng than hoạt tính có tác dụng tẩy màu cho dịch và hấp phụ tạp chất trong dịch Lượng than sử dụng phụ thuộc vào chất lượng dịch, theo yêu cầu làm sạch và khả năng hấp phụ của than Sau đó lọc than bằng lọc hút chân không hoặc máy lọc khung bản Sau khi tẩy màu bằng than hoạt tính cho dịch chạy qua hai cột trao đổi cation và anion có tác dụng loại đi các ion không mong muốn có trong dịch Đánh giá kết quả bằng đo độ trong (OD) của dịch

2.1.1.6 Phương pháp cô đặc sản phẩm: Dung dịch đường oligoglucosyl

fructoza sau khi được làm sạch, đem cô đặc bằng thiết bị cô chân không đến

độ Bx yêu cầu

2.1.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

2.1.2.1 Xác định nồng độ chất khô bằng chiết quang kế

2.1.2.2 Xác định pH bằng máy đo pH Orion, Model 410 (Mỹ)

2.1.2.8 Phương pháp xác định hàm lượng dextrin bằng phương pháp kết tủa cồn 2.1.2.9 Định tính cyclodextrin bằng phương pháp sắc ký bản mỏng (TLC)

- Thuốc hiện màu: dung dịch 1% mathnolic iot Dùng bơm phun thuốc hiện màu lên bản sắc ký sau khi chạy xong

- Chất chuẩn: α-, β-, γ-CD

* Tiến hành:

Dùng thước và bút chì kẻ vạch một đường ngang trên mặt phải của bản mỏng, cách mép dưới của 1 cm Trên đường kẻ này chấm những chấm bằng bút chì để nhỏ mẫu, mỗi chấm cách nhau 1 cm

Dùng micropipet nhỏ dung dịch mẫu chuẩn và dung dịch mẫu cần phân tích vào chỗ chấm trên bản mỏng (tiến hành ít nhất 3 lần chấm) và để khô Chạy sắc ký: Đặt bản mỏng vào bình đựng dung môi sao cho mặt dung môi cách điểm chấm mẫu khoảng 0,5 cm Đậy kín nắp bình dung môi Để dung môi chạy cho đến khi cách mép trên bản mỏng khoảng 2 cm thì lấy ra

để khô

Phun dung dịch hiện màu tỏa đều khắp mặt bản mỏng, để khô rồi sấy ở nhiệt độ 1050C trong 5 phút để hiện màu

α-CD cho màu đỏ tía, β-CD cho màu vàng, γ-CD cho màu vàng nhạt

So sánh mẫu chuẩn với mẫu thí nghiệm Nếu ở mẫu thí nghiệm có vết màu chạy ngang với mẫu chuẩn thì mẫu thí nghiệm có chứa CD, ngược lại thì không chứa CD

2.1.2.10 Xác định độ trong của dịch đường bằng phương pháp đo OD ở bước sóng 230 nm [ 28 ]

2.1.2.11 Xác định các ion kim loại bằng phương pháp hóa học (phân tích

lương thực thực phẩm – 1974)

- Ion canxi: dựa trên cơ sở môi trường kiềm yếu, ion canxi tạo tủa (oxalat canxi) với thuốc thử (NH4)2C2O4 ở môi trường kiềm yếu

- Ion Clo: phương pháp chuẩn độ bằng bạc nitrat (0,1N) tạo tủa bạc clorua

- Ion Sắt: theo phương pháp tạo phức dùng NH4CNS tạo phức đỏ với Fe3+

Sb – Sd

Hs(%) = x 100

SbTrong đó:

Hs : Hiệu suất chuyển hoá đường sacaroza (%)

Sb : Lượng đường sacaroza ban đầu đưa vào gắn kết (g)

Sd : Lượng đường sacaroza còn dư sau quá trình gắn kết (g)

2.1.2.13 Xác định hiệu suất chuyển hóa tinh bột

TBb – DE– Dc

Htb(%)= x 100

TBbTrong đó:

Htb : Hiệu suất chuyển hoá tinh bột (%)

TBb : Lượng tinh bột ban đầu (g) DE: Lượng đường khử còn lại sau quá trình gắn kết

Dc : Lượng dextrin còn lại sau quá trình gắn kết (g)

2.1.2.14 Xác định các thành phần đường trong sản phẩm oligoglucosyl fructoza bằng phương pháp HPLC

Điều kiện chạy HPLC: Loại cột: LC-NH2 (Supelco); Tốc độ dòng: 1 ml/min; Nhiệt độ cột: 400C; Detector: RI (Refactive Index); Mobile phase: Acetonitril : nước = 70 : 30

2.1.2.15 Xác định maltosyl fructoza và maltotriosyl fructoza, maltotetraosyl fructoza bằng phương pháp HPLC

Điều kiện chạy: Loại cột: Pb (Supelco); Tốc độ dòng: 0,5 ml/min; Nhiệt độ cột: 800C; Detector: RI (Refactive Index); Mobile phase: nước

2.1.2.16 Phân tích kiểm tra vi sinh vật:

- Kiểm tra tổng số vi sinh vật hiếu khí (TCVN 5165-90)

- Kiểm tra coliform và E.coli (TCVN 6505-99)

- Kiểm tra Salmonella (TCVN 6402-98)

- Kiểm tra nấm men, nấm mốc (TCVN 5166-90)

- Kiểm tra Clostridium perfringens (TCVN 4991-2005)

2.2 THIẾT BỊ, DỤNG CỤ, NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ HOÁ CHẤT

* Đường sacaroza – Việt Nam

* Đường coupling sugar của Nhật dạng siro

* Enzim dịch hóa: Enzim Amylex®HT (Mỹ) thuộc loại α-amylaza chịu nhiệt,

là một loại enzim dịch hóa mới có trên thị trường

* Enzim gắn kết tạo đường “coupling sugar”:

- Toruzyme 3.0L (3 KNU/g) (Novoenzim - Đan Mạch) Đây là chế phẩm enzim dạng lỏng, màu nâu, có tỷ trọng xấp xỉ 1,2 g/ml Chế phẩm

Toruzyme 3.0L chứa CGTaza bền nhiệt sản xuất từ chủng Bacillus được biến

đổi gen (nhận gen từ chủng Thermoanaerobacter) pH tối ưu 5,5 – 6,5; nhiệt

độ hoạt động tối ưu ở 55 - 600C

- Cyclodextrin glucanotransferaza (EC.2.4.1.19, CGTaza) (Amano –

Nhật Bản) được sản xuất trong quá trình lên men chủng Bacillus macerans

Chế phẩm enzim dạng dịch, có màu nâu nhạt, pH tối ưu: 6,0; nhiệt độ hoạt động tối thích ở 60 - 650C