Các chất ngọt thay thế đường fructose, xylitol, stevia

Trong bài báo cáo này nhóm chúng tôi xin trình ba loại chất ngọt tư nhiên được sử dụng để thay thế đường là: fructose, xylitol và stevia.. Chính những đặc tính này đã làm cho fructose tr

Trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh

Bộ môn Công nghệ Sinh học

Lớp DH06SH

Bài tiểu luận nhóm 1:

• Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Kiều

Mục lục

I Mở đầu 3

II Các hợp chất thay thế đường 3

1 Fructose 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Sản xuất 5

1.3 Ứng dụng 9

2 Xylitol 11

1.1 Giới thiệu 11

1.2 Sản xuất 12

1.3 Ứng dụng 18

3 Stevia 22

1.1 Giới thiệu 22

1.2 Sản xuất 25

1.3 Ứng dụng 31

III Tổng kết 36

Tài liệu tham khảo 36

xã hội ngày một phát triển, người Việt Nam được thưởng thức nhiều hơn các món

ăn truyền thống này Hơn thế nữa, sự du nhập của các loại bánh kẹo, nước ngọt của phương Tây đã làm cho lượng đường trong khẩu phần ăn hàng ngày tăng lên Chính những điều kể trên đã đưa đến một hậu quả nghiêm trọng: gần năm triệu dân số mắc bệnh tiểu đường (2009); 16,8% dân số trong độ tuổi từ 25-64 bị thừa cân béo phì (1996); sâu răng;….Ngoài ra, việc sử dụng các loại đường hóa học như saccharine trong công nghiệp bánh kẹo và nước giải khát làm tăng nguy cơ bị ung thư và mắc các bệnh kể trên Vì vậy, việc tìm kiếm các chất ngọt tự nhiên ngọt hơn, ít ảnh hưởng đến sức khỏe hơn ngày càng được chú trọng

Trong bài báo cáo này nhóm chúng tôi xin trình ba loại chất ngọt tư nhiên được

sử dụng để thay thế đường là: fructose, xylitol và stevia Chúng không những ngọt hơn đường, ít gây béo phì , tiểu đường đồng thời còn giúp bảo vệ răng, hạ đường huyết,…

Sự thiếu sót là không thể tránh khỏi, nên rất mong sự đóng góp của cô và các bạn để chuyên đề được tốt hơn, đầy đủ hơn

II Các hợp chất thay thế đường

1 Fructose

1.1 Giới thiệu

Fructose là loại đường monosaccharide rất phổ biến trong tự nhiên, bên cạnh glucose và galactose Fructose có nhiều nhất trong mật ong, ngoài ra cũng có nhiều trong trái cây và một số loại củ, do đó còn được gọi là đường trái cây Fructose mang một số đặc điểm vượt trội so với các loại đường thông thường mà nổi bật nhất là độ

ngọt gấp gần hai lần sucrose Chính những đặc tính này đã làm cho fructose trở thành chất làm ngọt được sử dụng rất rộng rãi ở Mỹ và một số nước.

ngậm nước của nó có độ ngọt gấp 1,7 lần đường mía sucrose, và cho đến nay vẫn là loại đường tự nhiên ngọt nhất từng được sản xuất

Không chỉ có độ ngọt cao, fructose còn có đặc tính cộng hưởng độ ngọt với một số loại đường khác như sucrose, aspartame hoặc saccharin, cho một hỗn hợp có độ ngọt cao hơn cả mỗi chất trên

So sánh độ ngọt một số loại saccharide

Khi được hấp thụ, một gram fructose cung cấp một lượng năng lượng khoảng 4 calo, tương đương với glucose hoặc sucrose Tuy nhiên, vì độ ngọt cao nên lượng fructose cần dùng cho thực phẩm thấp hơn nhiều so với hai đường trên, giúp giảm được năng lượng dư thừa do chất làm ngọt.

Về đặc tính vị ngọt, khi vào miệng fructose cho cảm giác ngọt tăng nhanh đến cực đại và sau đó giảm xuống sớm hơn so với glucose và sucrose, vì vậy không lấn át các hương vị khác Dễ nhận thấy nhất là fructose giúp thể hiện rõ hương vị của các loại hương trái cây và gia vị trong thực phẩm và nước giải khát

Fructose có đặc tính quan trọng là rất háo nước và giữ nước rất chặt Điều này làm cho fructose rất dễ tan trong nước, giữ ẩm tốt, có thể thay thế cho các chất làm ẩm như sorbitol và glycerin, giúp các loại thực phẩm chế biến, đặc biệt là các sản phẩm nướng giữ được chất lượng lâu hơn Ngoài ra nó còn rất có lợi trong sản xuất các sản phẩm hai lớp như bánh nhân kem, khi được thêm vào nhân sẽ giúp giữ nước trong nhân khiến nhân kem giữ mùi vị lâu hơn trong khi lớp vỏ bánh bên ngoài không bị ẩm và rữa Tuy nhiên đặc tính hút nước mạnh cũng khiến cho fructose rất khó để tinh thể hóa, dễ chảy rữa, và đây là lý do fructose thương mại phần lớn ở dưới dạng dịch xirô lỏng

Một đặc tính khác cũng khá đặc biệt ở fructose là nó có khả năng làm giảm nhiệt độ đông đặc của dung dịch Đặc tính này được ứng dụng trong bảo quản thực phẩm, nhất là trái cây và rau quả tươi đông lạnh: ngâm rau quả vào dung dịch fructose loãng trước khi đem đông lạnh sẽ giúp các tế bào không bị phá hủy bởi sự tạo thành các tinh thể đá Nhưng mặt khác đặc tính này cũng làm cho fructose không thể được sử dụng trong các sản phẩm cần sự đông tuyết như kem, các sản phẩm sữa đông như yogurt

Fructose cũng làm tăng tính nhớt của tinh bột, có thể được ứng dụng để làm sánh thực phẩm chứa tinh bột

1.2 Sản xuất

Từ trước thập niên 1970, các nguồn fructose chủ yếu là từ thiên nhiên như mật ong

và đường trái cây, với hàm lượng rất nhỏ và giá thành cao Mặc dù đã có các enzyme sản xuất được fructose, nhưng giá thành các enzyme này quá cao khiến việc sử dụng để sản xuất fructose không mang hiệu quả kinh tế Tuy nhiên từ sau 1970, phát minh về việc cố định enzyme đã làm bùng nổ mối quan tâm sâu sắc đến loại chất làm ngọt rất triển vọng này Từ đó, ngành công nghiệp sản xuất fructose đã có bước nhảy vọt đáng

kể, đặc biệt là ở Mỹ, với những cải tiến kỹ thuật không ngừng và sản lượng tiêu thụ ngày một tăng Cho đến năm 2005, fructose đã vượt qua cả đường mía sucrose về mức

tiêu thụ bình quân trên một người ở Mỹ với 28,4 kg dịch HFS/người/năm so với 26,7 kg sucrose/người/năm

Ngày nay, việc sản xuất fructose chủ yếu là bằng biến đổi từ những đường thông thường thành fructose bằng enzyme cố định Fructose thương mại có hai dạng chủ yếu:

•Dạng dịch xirô hỗn hợp với các đường khác như glucose Sản phẩm này xuất phát từ quá trình sản xuất fructose nhưng không phân tách khỏi các đường khác Trong số này có invert sugar, chứa 50% glucose và 50% fructose, và high fructose syrup 42, 55, 90 cũng là hỗn hợp fructose và glucose với tỉ lệ fructose tương ứng là 42%, 55% và 90% Dạng này thường được dùng trong công nghiệp và thực phẩm thông thường bởi dễ bảo quản,

dễ sản xuất và giá thành rẻ (giảm được chi phí phân tách và tinh sạch fructose)

•Dạng tinh thể (crysalline fructose) là dạng fructose khô tinh khiết không lẫn các đường khác Dạng này có được sau khi phân tách fructose ra khỏi các đường khác và tinh thể hóa fructose để loại nước Dạng này có giá thành cao hơn, khó bảo quản vì dễ hút ẩm, thường được dùng trong dược phẩm và thực phẩm ít năng lượng

Công nghệ sản xuất fructose đã có nhiều bước tiến đáng kể Quy trình ban đầu sử dụng đường mía sucrose làm nguồn nguyên liệu, dùng hai enzyme cố định invertase và glucose isomerase để tạo thành hỗn hợp glucose và fructose theo sơ đồ sau:

Thống kê sự tiêu thụ các loại đường ở Mỹ

Quá trình chuyển hóa được thực hiện trong các cột hoặc bioreactor, với enzyme được gắn cố định bên trong dưới dạng enzyme – cơ chất trơ hoặc gắn cả tế bào vi sinh vật chứa enzyme Nguyên liệu được cho qua cột liên tục và lưu lượng được điều chỉnh

tự động giảm dần tương thích với hoạt tính enzyme còn lại, sao cho sản phẩm ra luôn có nồng độ không đổi Thông thường người ta sử dụng nhiều cột song song với lưu lượng khác nhau để giữ năng suất ổn định

Tuy nhiên phương pháp trên đây còn tương đối đắt tiền do phải sử dụng enzyme invertase, dù rằng với công nghệ enzyme cố định nhưng vẫn chiếm chi phí khá lớn trong giá thành sản phẩm Qua nhiều năm, người ta đã tập trung vào việc tìm một quy trình hiệu quả hơn, với một nguồn nguyên liệu rẻ tiền hơn Những nỗ lực cải thiện năng suất quy trình trên, cũng như thử nghiệm các nguyên liệu mới như inulin, một polymer chứa fructose vẫn chưa đem lại hiệu quả rõ rệt

Đến năm 1981, quy trình sản xuất fructose từ tinh bột chiết xuất từ dịch lõi bắp lần đầu tiên được đưa vào sản xuất đại trà với nhà máy đầu tiên ở Thomson, Illinois, USA Quy trình tỏ ra có hiệu quả hơn do không phải sử dụng invertase, cũng như nguồn nguyên liệu là phụ phẩm nông nghiệp khá dồi dào ở Mỹ Quy trình theo sơ đồ sau:

Invertase được sản xuất từ nấm mem (enzyme ngoại bào) hoặc một số nấm mốc (enzyme

nội bào) Trong thương mại thường dùng S cerevisiae hoặc S carlsbergensis Dạng cố

định có pH tối ưu 4,5, nhiệt độ tối ưu 55oC

Glucose isomerase có thể được sản xuất từ nhiều vi sinh vật, thường dùng trong công nghiệp là các giống Streptomyces, Arthrobacter, Mycobacterium và Curtobacterium pH tối ưu 7,2 và 9 đối với cơ chất là glucose Nhiệt độ thay đổi từ 60 - 85oC, nhiệt độ càng cao phản ứng enzyme càng tốt, nhưng mất hoạt tính cũng nhanh hơn

Vấn đề tiếp theo là phân tách và cô đặc fructose Thông thường sản phẩm của quy trình sản xuất là HFS 42 đã có thể được đem sử dụng Tuy nhiên để tạo dịch HFS có nồng độ fructose cao hơn, người ta sử dụng màng lọc than hoạt tính và kỹ thuật sắc ký trao đổi ion Dịch được cho qua cột sắc ký, sau đó một dung dịch chứa Ca2+ (thường là Ca(NO3)2) được cho qua sẽ tách dần các cấu tử ra khỏi cột sắc ký Dịch fructose thu được (80-95% fructose) sẽ được đem hòa trở lại với HFS 42 để tạo ra HFS 55

Cuối cùng là quy trình tinh thể hóa fructose Cho đến hiện nay quy trình thông dụng nhất là sử dụng dung môi cồn hữu cơ Fructose có tính giữ nước rất chặt nhưng lại tan rất kém trong cồn Người ta sử dụng cồn pha vào dung dịch fructose 90%, sau đó thêm

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Streptomyces Arthrobacter Mycobacterium

vào các nhân tạo tinh thể, thường là những hạt fructose tinh thể từ đợt sản xuất trước, rồi cho bay hơi dung môi nước – cồn ở áp suất thấp và nhiệt độ ổn định Quy trình này cho năng suất khá cao tuy nhiên việc thu hồi cồn và lượng nước thải đang còn là vấn đề hạn chế.

1.3 Ứng dụng

Tác động của fructose đến sức khỏe:

Trong quá trình biến dưỡng, fructose khi được hấp thu không được cơ thể xem như đường huyết, chưa thể sử dụng ngay như một chất thay thế glucose Fructose trước tiên được chuyển từ máu đến gan, tại đây được biến đổi thành glycogen dự trữ, rồi từ đó mới dần được chuyển hóa thành glucose vào máu Đặc điểm biến dưỡng này rất có lợi cho những người bị hạ đường huyết, khi cơ chế kiểm soát đường huyết của họ hoạt động quá mạnh và có thể làm giảm đường huyết xuống tới mức nguy hiểm Fructose là loại đường

có tác dụng chậm nhưng kéo dài, được dữ trữ dưới dạng glycogen và được thủy phân dần dần để bổ sung đường huyết ổn định trong thời gian dài

Đáp ứng đường huyết của bệnh nhân hạ đường huyết với đường glucose và fructose

Tác động tiêu cực rõ rệt nhất hiện nay ở fructose là dễ gây tiêu chảy, nhất là ở trẻ nhỏ Do sự hấp thu fructose ở màng nhày ruột khá kém so với glucose, nếu một lượng fructose lớn được ăn vào mà không hấp thu kịp, fructose sẽ bị đào thải Tuy nhiên do fructose có tính hút nước và giữ nước mạnh, nên trong quá trình đào thải sẽ tích một lượng nước lớn ở phân, gây tiêu chảy và mất nước Tuy nhiên đây chỉ là một quá trình sinh lý chứ không phải bệnh lý và nếu tiếp nước và khoáng đầy đủ thì cũng không gây nguy hiểm quá lớn cho cơ thể

Trong khi đó, có rất nhiều tranh cãi nổ ra về các ảnh hưởng khác của fructose, bao gồm tác động gây bệnh béo phì, ức chế insulin gây tiểu đường loại hai, tăng cholesterol

và rối loạn chuyển hóa và biến dưỡng Tuy nhiên những nghiên cứu về các tác động này vẫn cho nhiều kết quả trái ngược và chưa có một kết luận chính xác Cho đến hiện nay, fructose vẫn được sự chấp thuận của cả WHO, FAO và FDA, và vẫn được phép sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm

Các ứng dụng

Sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và nước giải khát, đặc biệt là các loại thực phẩm ít năng lượng

Sử dụng thay cho sorbitol và glycerin, giúp giữ ẩm độ trong thực phẩm

Ứng dụng trong giảm độ ẩm các thực phẩm nhân kem

Dùng bảo quản thực phẩm tươi khi đông lạnh

Dùng cho bệnh nhân hạ đường huyết

Phân tử khối : 152,15 g/mol

Khối lượng riêng : 1,52 g/m3

lá rộng hay bắp với quy mô sản xuất lớn nhất tòan cầu Xylitol được sản xuất

bằng con đường hydro hóa xylose, biến đổi đường (1 dạng aldehide) sang rượu sơ cấp.

Một muỗng café ( khoảng 5ml) xylitol chứa 9,6 calories, so với một muỗng đường thông thường chứa 15 calories Xylitol hầu như không có dư vị, và được quảng cáo là “an tòan cho bệnh nhân tiểu đường và các bệnh tăng đường huyết”

Xylitol được sử dụng rộng rãi ở Phần Lan –quê nhà, hầu hết các loại kẹo cao su được bán ở nước này được làm ngọt bằng xylitol

2.2 Quy trình sản xuất Xylitol

Nguyên liệu:

Bã mía thành phần chính là cellulose, hemicelluloses, lignin,

Gỗ cây bulô thành phần chính là xylose ngoài ra còn có glucose, galactose,rhamnose…

Thân bắp thành phần chủ yếu là xylose, glucose và một số chất khác như arabino, galactose

• Nguồn Cacbon: Xylose, Glucose; Maltose; Galactose

• Nguồn Nitơ: Muối amoni

• Nhiệt độ tối ưu: 300C

• pH: 4.1 - 5.3

• Nhu cầu oxi: kỵ khí tuỳ ý

• Hình thức sinh sản: Sinh sản hữu tính

• Loài: P guilliermondii

• Candida guilliermondii có hình tròn hoặc bầu dục, kích thước khoảng

2.0-4.0x 3.0-6.5µm

 Tính chất:

• Nguồn Cacbon: Xylose, Glucose; Sucrose

• Nguồn Nito: Muối amoni

• Nhiệt độ tối ưu: 300C

• pH: 3.5 -7

• Nhu cầu oxi: kỵ khí tuỳ ý

• Hình thức sinh sản: Sinh sản hữu tính

Gia nhiệt Rửa

Pha rắn

Pha lỏng Ép

Nước nóng HCl

Nước

Giải thích quy trình:

• Xay: làm giảm kích thước nguyên liệu, chuẩn bị cho quá trình thủy phân

• Rửa: loại bỏ các thành phần khóang không tan ( đất cát, kim loại, )

• Sấy: giảm độ ẩm (phơi nắng)

• Phối trộn: cho HCl hoặc H2SO4 vào thùng quay trộn đều với nguyên liệu

• Gia nhiệt: 100- 1250C trong 40-75 phút, dưới tác dụng của acid, các polysaccharide sẽ thủy phân thành monosaccharide, trong đó hemicellulose thủy phân thành xylose

• Lọc: sau thủy phân, thu dịch lọc, lọc qua vải dể loại bỏ những phần chưa thủy phân Xử lý tiếp dịch lọc với than hoạt tính để hạn chế các chất ức chế quá trình lên men (acetic, các hợp chất phenolic, )

• Cô đặc chân không bằng thiết bị thu hoạch chân không, để tăng hàm lượng xylose như mong muốn, đáp ứng cho quá trình lên men

Xylose trích từ

bã mía, gỗ

bulo, thân bắp

Candida tropicalis Candida gulliermondii

Phục hồi giống,

ủ ở 25 o C cho đến khi tạo bào tử

28 – 32 o C,

pH tử 4,5 – 5,5 Cung cấp oxi liên tục 48h

Lọc, khử khoáng, trích ly, kết tinh

Nguyên liệu

Nhân giống

Tách và tinh chế

Giốn g

Lên men

Hình : Cơ chế chuyển hóa Xylitol từ Xylose

Giải thích quy trình:

• Nhân giống:

Mục đích: tạo giống cho sản xuất từ giống gốc

Thực hiện: phục hồi giống nuôi trong môi trường thạch nghiêng (40g/l malt, 15g/l agar), ủ ở nhiệt độ 250C cho đến khi tạo bào tử Chuẩn bị môi trường lên men và cấy giống theo các cấp cho đến khi đủ canh trường để lên men cho sản xuất

• Lên men:

Mục đích: thông qua quá trình lên men để tăng sinh khối và sản phẩm

Thực hiện: bơm môi trường vào thiết bị lên men, cho giống vào, sục oxy liên tục điều chỉnh các thông số kỹ thuật cho phù hợp

oLọc: tách sinh khối nấm men và cặn nhằm thu dịch trong chứa xylitol Cho dịch sau lên men qua thiết bị lọc khung bản, sinh khối và cặn bị giữ lại trên màng, thu lấy dịch trong.

oKhử khoáng :dịch trong sẽ được đưa qua hệ thống khử khóang, khóang sẽ bị giữ lại bằng hệ thống trao đổi ion

oCô đặc chân không: giảm độ ẩm, tăng nồng độ đường, làm mất một số chất bay hơi Sử dụng thiết bị cô đặc chân không

oLoại D-xylulose: để nâng cao độ tinh khiết cho xylitol Dùng nhựa trao đổi ion để hấp phụ xylulose

oTrích ly và kết tinh:

Dùng cồn nóng làm dung môi hòa tan xylitol Bỏ những chất không tan, sau

đó hạ nhiệt độ xuống -150C, các tinh thể xylitol kết tinh, lọc thu kết tủa Lấy tinh thể hòa tan vào cồn nóng trở lại, sau đó tái kết tinh để thu được sản phẩm bảo đẩm tinh khiết

2.3 Ứng dụng:

Mặc dù xylitol có vị ngọt và trông giống y như đường, vẫn có những nơi giới hạn sự tương đồng Xylitol là ảnh gương cuả đường thật sự Trong khi đường tiến hành tàn phá trong cơ thể thì xylitol chữa bệnh và phục hồi Nó cũng xây dựng

hệ miễn dịch , bảo vệ cơ thể chống lại các bệnh thoái hóa kinh niên và có các lợi ích chống sự lão hóa Xylitol là một đường năm cacbon, được xem là phương tiện chống lại hay ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn Trong khi hầu hết đường và các chất ngọt thay thế phổ biến khác nuôi vi khuẩn và nấm gây hại, sinh acid trong miệng thì xylitol lại tăng tính kiềm

Xylitol ít hơn 40% calories, ít hơn 75% carbohydrate so với đường, được hấp thu và trao đổi chậm, kết quả là làm thay đổi không đáng kể insulin.Khoảng 1/3 xylitol được tiêu thụ thì được hấp thu ở gan 2/3 còn lại di chuyển vào trong vùng ruột nơi mà nó được phân giải nhờ vi khuẩn đường ruột thành những chuỗi acid béo ngắn