bài giảng Công nghệ sản xuất chất thơm, chất màu thực phẩm

Tổng quan về chất thơmChất thơm tự nhiên trong thực phẩm thường không bền, dễ bay hơi Thiết bị thu hồi và hấp thụ lại vào trong thành phẩm Bổ sung chất thơm tự nhiên/ tổng hợp Sản xuất

Công nghệ sản xuất chất thơm,

chất màu thực phẩm

Giảng dạy cho ngành Công nghệ sinh học

Lớp: 52CNSH Năm học 2013 - 2014

Trường Đại học Nha Trang Khoa Công nghệ thực phẩm

Giá trị cảm quan của thực phẩmHình thức

Sinh lý

Tổng quan về chất thơm

Chất thơm tự nhiên trong thực phẩm thường không bền, dễ bay hơi

Thiết bị thu hồi và hấp thụ lại vào trong thành phẩm

Bổ sung chất thơm tự nhiên/ tổng hợp

Sản xuất chất thơm:

Chưng cất và cô đặc các chất thơm tự nhiên từ các nguồn giầu chất thơm, sau đó dùng các chất thơm này để cho vào các sản phẩm thực phẩm khác nhau

Tổng hợp các chất thơm nhân tạo có mùi thích ứng để cho vào các sản phẩm thực phẩm

Đặc tính của mùi

2 triệu chất hữu cơ thì chỉ có 400 000 chất có mùi nhiều hay ít

Một phân tử chất thơm có đặc tính như sau:

-Mùi đặc trưng

-Mùi do những nhóm nguyên tử đặc biệt quyết định (nhóm mang mùi)

-Tăng số nhóm mang mùi không làm tăng cường độ mùi mà lại làm yếu mùi hoặc tắt mùi hoàn toàn

-Những nguyên tử cơ bản trong các nhóm mang mùi: O, S, N, P, As, Se

Ví dụ nhóm mang mùi hữu cơ:

nhóm các hợp chất thơm

theo nhóm chức

Đặc tính của mùi (tiếp)

Có thể tăng mạnh hoặc làm yếu mùi này bằng một mùi khác

Phối trộn các mùi để tạo ra mùi mới

Một số mùi có khả năng triệt tiêu lẫn nhau

Các chất giống nhau về cấu tạo và tính chất có thể có mùi khác nhau

Các chất hoàn toàn khác nhau có thể cho mùi giống nhau

Mùi có thể phụ thuộc vào nồng độ chất mang mùi

Thuyết hóa học về mùiMùi = cấu trúc phân tử + liên kết với tế bào thụ cảm trong mũiLeopond Rujit (1920)

Moncrieff (1951)Amoore (1962)

Thuyết lý học về mùiMùi = khả năng phát sóng điện từ

Các chất mùi tự nhiên

Tinh dầu và nhựa (thuộc nhóm isoprenoids)

Về bản chất hóa học là một hỗn hợp các chức khác nhau: hydrocarbon, rượu, aldehyd, ceton, acid, ester

Thường gặp và quan trọng nhất: terpene và các dẫn xuất chứa oxy của

terpene

Monoterpene:

Sesquiterpene

Các hình thơm (tổ hợp thơm)

-Chất nền

-Chất định hương: thay đổi áp suất riêng của hỗn hợp và điều chỉnh sự bay hơi của các cấu tử

Tương tác trong quá trình phối trộn tổ hợp thơm:

-Tương tác lý học: tạo cặn và lắng xuống-Tương tác háo học:

-Phản ứng của dung môi với cấu tử thơm-Phản ứng oxy hóa

-Phản ứng ngưng tụ-Phản ứng chuyển ester

Các giai đoạn của quá trình tạo ra một tổ hợp thơm:

-Giai đoạn “tuổi trẻ”: mùi của tổ hợp chưa hoàn chỉnh, cường độ và sắc

thái kém, mùi không chính xác

-Giai đoạn “phát triển”: mùi của tổ hợp hoàn chỉnh, ổn định và cực đại

-Giai đoạn “già”: mùi của tổ hợp bị giảm và xấu

Các chất thơm hình thành nên trong quá trình gia công kỹ thuật

Các con đường sản xuất chất thơm

 Tách chiết từ thực vật, động vật

Một số cây cho tinh dầu chính ở Việt Nam

-Tinh dầu từ quả -Tinh dầu từ phần trên mặt đất -Tinh dầu từ thân, vỏ thân

-Tinh dầu từ rễ, thân rễ -Tinh dầu từ nhựa

Khai thác tinh dầu

Chưng lôi cuốn theo hơi nước

Ép

Trích lý nhờ dung môi có nhiệt độ sôi thấp (cồn, ete…)Trích ly bằng hấp thụ (mỡ lợn, mỡ bò )

Một số vấn đề cần quan tâm trong khai thác tinh dầu từ thực vật

Xác định thời vụ trồng và thu hoạch cây tinh dầu

Lựa chọn giống cây tròng cho cây to, khỏe, hàm lượng tinh dầu cao

Các phương pháp thông dụng để tách

chiết tinh dầu từ dược liệu

-Phương pháp dùng dung môi để hòa tan -Phương pháp ướp

-Phương pháp ngâm

-Phương pháp ép

-Phương pháp cất

Phương pháp sử dụng dung môi để hòa tan

-Sử dụng nhiều trong công nghệ sản xuất nước hoa

-Nguyên liệu là các loại hoa có mùi thơm dễ bay hơi

Tại sao không dùng phương pháp chưng cất?

-Nguyên tắc: dựa trên hiện tựng thẩm thấu và khuếch tán

-Cách làm: dùng ete dầu hỏa tinh chế (đã khử mùi và có độ sôi thấp) để ngâmnguyên liệu trong các thiết bị chuyên dùng

-Thu hồi dung môi: cất chân không

-Sản phẩm: hỗn hợp tinh dầu + sáp = cô kết (concret)

-Cao hoa: loại bỏ một phần sáp trong cô kết

-Tinh dầu tuyệt đối = chất thơm + sáp + nhựa

Yêu cầu thiết bị

Thất thoát dung môi

Quy trình phức tạp

Phương pháp ướp

-Sử dụng để sản xuất tinh dầu trong mỹ phẩm

-Nguyên tắc: dựa trên hiện tượng khuếch tán và hấp phụ

-Cách làm: dùng các chất béo như vaselin, parafin, dầu oliu hoặc mỡ động vật tinh chế để hấp phụ chất thơm

-Thu hồi tinh dầu: lắc chất béo với ethanol 75 – 85o  tinh dầu hòa tan vào ethanol; để lạnh ở -10o+C để loại bỏ vết chất béo

-Sản phẩm tinh dầu thu được: bouquet, extrait, essence concentrée

Phương pháp ngâm

-Sử dụng để sản xuất tinh dầu trong mỹ phẩm

-Nguyên tắc: dựa trên hiện tượng khuếch tán

-Cách làm:ngâm hoa vào daauf béo đã tinh chế trong dụng cụ được làm nóng băng fhoiw nước 60oC từ 12h – 48h Ngâm từ 10 – 15 lần

-Thu hồi tinh dầu: lắc chất béo với ethanol 75 – 85o  tinh dầu hòa tan vào ethanol; để lạnh ở -10o+C để loại bỏ vết chất béo

-Sản phẩm tinh dầu thu được: bouquet, extrait, essence concentrée

Các con đường sản xuất chất thơm

Các con đường sản xuất chất thơm

 Sinh tổng hợp bằng enzym hoặc vi sinh vật

Nấm men

Cơ chất

(dầu thầu dầu)

Chất thơm(hương đào)

Các con đường sản xuất chất thơm

Enzym trong sinh tổng hợp chất thơm ứng dụng trong thực phẩm

Ưu điểm:

-Điều kiện phản ứng nhẹ nhàng (áp suất, nhiệt độ, pH)

-Có tính chọn lọc đồng phân quang học

-Đạt tiêu chuẩn “tự nhiên”

Một số nhóm enzyme được sử dụng để sản xuất chất thơm:

-Glucosidase: beta-glucosidase, myrosinase

-Lipases

-Protease

-Lipoxygenase và hydroperoxyde lyases

Tổng quan về chất màu

Chất màu tự nhiên có vai trò quan trọng đối với giá trị cảm quan của thực phẩmMột số chất màu còn có giá trị dinh dưỡng

Bảo vệ màu sắc tự nhiên của sản phẩm

Bổ sung thêm chất màu mới thích hợp với tính chất và trạng thái của sản

phẩm

Dùng các phản ứng tạo màu trong quá trình chế biến sản phẩm

Sản xuất chất màu thực phẩm:

-Tách chiết, cô đặc và bảo quản các chất màu từ chính nguyên liệu hoặc

nguyên liệu giàu màu sắc khác

-Tổng hợp nhân tạo các chất màu giống như các màu tự nhiên

102 Vàng Tartrazin (Tartrazin) Tartrazine

104 Vàng Quinolin Quinoline Yellow

110 Vàng Sunset FCF (Sunset

Yellow FCF)

Sunset Yellow FCF

120 Carmin Carmines

122 Carmoisine Azorubine (Carmoisine)

123 Đỏ Amaranth (Amaranth) Amaranth

129 Đỏ Allura AC Allura Red AC

132 Indigotin (Indigocarmine) Indigotine

151 Đen Brilliant PN Brilliant Black PN

155 Nâu HT Brown HT 160ai Beta-caroten tổng hợp Beta-Carotene

(Synthetic) 160aii Caroten tự nhiên

(chiết xuất từ thực vật)

Natural Extracts (carotenes)

Complex

Một số phẩm màu (theo TCVN)

Các chất màu tự nhiên

Thường gặp trong nguyên liệu thực vật

Gồm ba nhóm chính:

1 Chlorophyll (diệp lục): màu xanh lá cây

2 Carotenoids: màu vàng tới đỏ

3 Flavonoids: màu đỏ, xanh, vàng

Các chlorophylls:

Gồm có chlorophyll a và chlorophyll b

Chlorophyll b có màu nhạt hơn chlorophyll a

Tỷ lệ trong thực vật khoảng 3 chlorophyll a : 1 chlorophyll b

400 500 600

Tính chất của chlorophyll

Tác dụng với axit

Chlorophyll + 2HX  feofitin + MgX2

(màu xanh oliu)

Tác dụng với kiềm nhẹ, kiềm thổ

Chlorophyll + kiềm  chlorofilin hoặc chlorofilid + rượu

(màu xanh đậm)

Phản ứng oxy hóa và quang oxy hóa

Phản ứng thay thế nhân Mg bằng các kim loại khác: Fe, Sn, Al, Cu

-Thay thế với Fe cho màu nâu

-Thay thế với Sn và Al cho màu xám

-Thay thế với Cu cho màu xanh sáng

Ứng dụng trong công nghiệp chế biến đồ hộp rau quả để bảo vệ màu xanh

diệp lục:

-Gia nhiệt nhanh trong một lượng nước sôi lớn (3 – 4 lít/kg) để giảm hàm lượng

axit Axit sẽ bay đi cùng hơi nước

-Gia nhiệt rau xanh trong nước cứng: carbonate kiềm thổ sẽ trung hòa một phần

axit của dịch bào

Các carotenoids

• Nhóm chất màu hòa tan trong chất béo

• Cấu trúc có nhiều nối đôi liên hợp

• Tạo màu vàng tới đỏ cho rau quả

• Có trong đa số thực vật và hầu hết tất cả cơ thể động vật

• Nhạy cảm với môi trường axit

• Bền trong môi trường kiềm

• Dễ bị oxy hóa

• Tất cả các carontenoids tự nhiên đều có thể coi là dẫn xuất của lycopen

CH2 = C – CH = CH2

CH3

2 -3 Chanh

35 Mơ

3 – 7 Lê

51

Cà chua

0,9 – 5,4 Táo

26 – 76

Rau spinach

27 Đào

54

Cà rốt

Nồng độ (ppm)

Thực phẩm

Nồng độ (ppm)

Thực phẩm

Nồng độ carotenoid trong một số thực phẩm

Nhóm carotene

Nhóm xanthophyll

asthaxantin

Các flavonoids

• Hòa tan trong nước và chứa trong các không bào

• Màu sắc từ đỏ tới tím

• Dẫn xuất của croman hoặc cromon

Ngưng tụ với 1 vòng phenol

Các dạng cấu trúc chủ yếu của flavonoid

Chất màu hình thành trong quá trình chế biến thực phẩm

Các phản ứng tạo màu trong thực phẩm thường phức tạp và đa dạng.

- Phản ứng giữa đường và axit amin

- Phản ứng dehydrat hóa các đường hay là phản ứng caramel hóa

- Phản ứng phân hủy axit ascorbic, axit limonic, axit maleic, axit tactric

và một số axit hữu cơ khác

- Phản ứng oxy hóa các hợp chất của sắt và tạo thành phức có màu

- Phản ứng tạo nên các sulfure kim loại có màu

Phản ứng caramel hóa

- Xảy ra mạnh mẽ ở nhiệt độ nóng chảy của đường

- Phụ thuộc vào nồng độ đường, pH, thời gian …

- Sản phẩm cuối cùng có thể là: caramelan, caramelen, caramelin … tùyvào mức độ mất nước

- Tất cả các sản phẩm caramel hóa đều có vị đắng

Phản ứng tạo melanoidine

Giai đoạn đầu

- Phản ứng ngưng tụ carbonylamin

- Phản ứng chuyển vị Amadori

Giai đoạn trung gian

• Tạo thành furfurol và ozon

- Tạo thành reducton có sáu carbon

- Phân hủy đường

- Phân hủy các chất hợp chất amin

Giai đoạn cuối

- Phản ứng ngưng tụ aldol

- Phản ứng trùng hợp hóa aldehydamin

Phản ứng oxy hóa các polyphenol

Nhóm cơ chất phenol phổ biến:

-Nhóm hợp chất phenol C6 – C1 (axit garlic)

-Nhóm hợp chất phenol C6 – C3 (axit cafeic)

-Nhóm hợp chất C6 – C3 – C6 (catechin và flavonoid)

Phản ứng oxy hóa các polyphenol

Các giai đoạn phản ứng oxy hoa polyphenol

-Oxy hóa bởi enzym polyphenoloxidase tạo ra octoquinon

-Ngưng tụ tạo dimer (diphenolquinon)

-Diphenolquinon tương tác với polyphenol và bị khử thành bisflavanol (không màu)-Phản ứng oxy hóa các dimer trung gian, tạo ra teaflavin (màu vàng)

-Phản ứng tạo tearubigin (hồng, nâu, đỏ )

Các yếu tố ảnh hưởng tới phản ứng sẫm màu do enzym xúc tác:

Các con đường sản xuất chất màu

 Tách chiết từ thực vật

Xử lý nguyên liệu:

Làm khô sơ bộ

Phân chia, làm nhỏ, nghiền

Tách chiết với dung môi

-Quá trình trích ly rắn – lỏng

-Trích ly theo mẻ

-Trích ly liên tục

-Loại bỏ dung môi: chưng cất

Dư lượng dung môi cho phép

(theo FDA):

-Acetone 30 ppm -Methanol 50 ppm -Hexane 25 ppm -Methylene dichloride MDC 30 ppm -Ehtylene dichloride EDC 30 ppm

Các con đường sản xuất chất màu

 Tổng hợp hóa học

BASF synthesis

Roche synthesis

Các con đường sản xuất chất màu

Điều kiện nuôi cấy

…

Chủ đề 3 Các phương pháp nghiên cứu chất

màu, chất thơm trong thực phẩm

Phương pháp hóa lý

Phương pháp cảm quan

Phương pháp sắc ký

Phân tích dư lượng

-Dung môi: 50g mẫu trích ly bởi 1 ml toluen

 GC (Todd, 1960)

-Aflatoxin: giới hạn loại B1 5ppb, tổng số

10ppb (EU) hoặc 20 ppb (FDA)

-Thuốc trừ sâu

-Kim loại nặng: Hg, Cd, As, Cu, Pb, Zn

3 vấn đề chính trong phân tích chất thơm, chất

màu thực phẩm

Phân tích thành phần hóa học:

-Phân tích dụng cụ: GC, HPLC,

GC-MS, UV-VIS … -Tiêu chuẩn phân tích: AOAC, FDA, Codex Alimentarius, FCC…

3 vấn đề chính trong phân tích chất thơm, chất

màu thực phẩm

-Điều kiện nghi ngờ: coliform, E coli,

Salmonella, Staphylococcus aureus,

Bacillus cereus

3 vấn đề chính trong phân tích chất thơm, chất

màu thực phẩm

• Quy trình tách chiết beta-caroten từ cà rốt

• Quy trình tách chiết lacton từ dịch phản ứng đậu tương – cà rốt – enzym LOX

Phương pháp cảm quan

1 Vai trò của cảm quan đối với chất lượng sản phẩm thực phẩm

2 Các phép thử cảm quan

Vai trò của cảm quan đối với chất lượng

sản phẩm thực phẩm

Kiểm tra sản phẩm và kiểm soát quá trình sản xuất

các tiêu chuẩn kỹ thuật đã cam kết

Hội đồng ít người: 2 – 8 người Được đào tạo

Hiểu biết toàn diện về sản phẩm

Vai trò của cảm quan đối với chất lượng

sản phẩm thực phẩm

Đánh giá cảm quan = sử dụng giác quan của con người

Khách quan? Chủ quan?

Phương pháp khách quan là phương pháp đánh giá trong đó hệ quả của

những ảnh hưởng của con người được tối thiểu hóa.

Các phép thử cảm quan

Nhóm phép thử

phân biệt

Liệu có thể thay thế nguyên liệu sản xuất?

Liệu có thể thay thế thiết bị sản xuất?

Sản phẩm có giống với sản phẩm cạnh tranh? Bao gói ảnh hưởng tới mùi vị sản phẩm?

Biến đổi chất lượng trong quá trình bảo quản?

Sự khác biệt giữa 2 sản phẩm có ý nghĩa?

Người tiêu dùng thích sản phẩm nào?

Người tiêu dùng ưa thích sản phẩm cải tiến?

Nhóm phép thử cảm quan khi

các tính chất cảm quan

không được chỉ ra trước

Phép thử tam giác Phép thử 2 – 3 (Duo – Trio) Phép thử A không A

Phép thử phân nhóm

Nhóm phép thử thị hiếu Phép thử cặp đôi thị hiếu

Phép thử cho điểm thị hiếu

Phương pháp phân tích sắc ký

Sắc ký bản mỏng

Rf = x / xf

Name Retention Time

Phương pháp phân tích sắc ký

Sắc ký khí

Chủ đề 4 Giới thiệu một số quy trình sản xuất chất màu, chất thơm thực phẩm đạt tiêu chuẩn

“tự nhiên”

Sản xuất beta-carotene từ nấm sợi

Sản xuất beta-ionone từ các hợp chất carotenoids

Sản xuất hexanal bằng nấm men biến đổi gen

Môi trường nuôi cấy

nấm mốc

Lên men ( 28 0 C, 72h, 250 rpm)

Hấp tiệt trùng ( 110 0 C, 15 min )

Rửa và lọc thu sinh khối

Tách chiết β-carotene ( hexane: acetone (6v: 4v), sinh khối : solvant 1 :20 ( w/v)

Loại bỏ dung môi

và cô đặc chân không

Blakeslea trispora

Dầu β-carotene

Sản xuất beta-carotene từ vi sinh vật:

-Nấm men: Rhodotorula glutinis  beta-carotene và đồng

phân lycopene

-Tảo: Dunaliella salina  đồng phân cis-beta-carotene

-Nấm sợi: Blakeslea trispora  đồng phân all trans carotene

beta-Nga, Uckraina, Hà Lan, Trung Quốc Năng suất: 400 – 2000 tấn/ năm

Hiệu suất: 900 – 1200 mg/L (PTN)

3500 mg/L (SX công nghiệp)

Nấm sợi Blakeslea trispora:

Sinh trưởng của nấm sợi từ bào tử

Bộ nấm Mucorale

Sản xuất beta-carotene từ nấm sợi

Sản xuất beta-ionone từ các hợp chất carotenoids

Sản xuất hexanal bằng nấm men biến đổi gen

oxy hóa

Sản phẩm tương ứng

Acide

3(Z)-Hexénal (instable) 2(E)-Hexénal (feuille verte, fruitée)

3(Z)-Hexén-1-ol (verte herbeuse, fraîche)

2(E)-Hexén-1-ol (vert tranchant, fruité)

3(Z)-nonénal (instable, concombre)

2(E)-nonénal (citron, gras)

3(Z)-nonénol (-) 2(E)-nonénol (melon, cireux)

Acide

3(Z), 6(Z)-nonadiénal (melon, concombre, poivré)

2(E), 6(Z)-nonadiénal (légume vert, concombre)

3(Z), 6(Z)-nonadiénol (pastèque)

2(E), 6(Z)-nonadiénol (vert herbacé, concombre amer)

Cơ chất Nguồn enzyme Điều kiện

p/ư

- Huiles de soja, lin, olive,

cacao, etc

- Matières grasses animales

Graines de soja broyées (HPL) 25 - 50°C

0,5 - 10 h

Kanisawa & Itoh, 1988

Goers et al.,

1989

Hydrolysat de l'huile de lin Feuilles de plantes (HPL) et

levure de boulangerie (alcool déshydrogénase)

1 mM d'acide salicylique

3(Z)-hexénol 425 mg/L Brunerie et

Koziet, 1997

Acides gras polyinsaturés Feuilles de violette (HPL) et

levure de boulangerie (alcool déshydrogénase)

- nonadiénal

- 2(E),6(Z)- nonadiénol

2(E),6(Z) 600 mg/kg

- 10 mg/kg de matériel végétal

Husson & Belin, 2002

Cơ chế sinh tổng hợp

hexanal bằng

enzyme hydroperoxyde lyase dựa trên cytochrome

P450