Quy trình công nghệ sản xuất HFCs

Hàng năm, trên thế giới khoảng 40 triệu tấn sirô fructose đãxuất, trong đó có tới 50 % sản lượng fructose được sử dụng để sản giải khát như: Cocacola, Pepsicola, nước quả tươi, nước giải

Đề tài: QUY TRÌNH SẢN XUẤT HFCS.

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

DANH SÁCH NHÓM

MỤC LỤC

STT Họ và tên MSSV PHÂN CÔNGCÔNG VIỆC

1 Trương Thành Hân 2005120094 2, 3, 4 (power point)1 ( word),

2 Nguyễn Thị Hoài Thương 2005120088 2, 3 (word)

3 Trần Thị Tiến 2005120323 1 (power point)4 (word),

Hàng năm, trên thế giới khoảng 40 triệu tấn sirô fructose đã

xuất, trong đó có tới 50 % sản lượng fructose được sử dụng để sản

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

liệu và sản phẩm đồng hành cùng với nhu cầu nghiên cứu và phát

sirô fructose

1. Tổng quan về HFCS:

1.1. Giới thiệu về HFCS:

HFCS được gọi isoglucose ở Anh và glucose-fructose ở Canada, và lần đầutiên được giới thiệu với thực phẩm và ngành công nghiệp nước giải khát trong nhữngnăm cuối thập niên 1960 (HFCS-42 vào năm 1967) và năm 1970 (HFCS-55 vào năm1977) để cải thiện sự ổn định và chức năng của các loại thực phẩm khác nhau và đồuống

Ngô là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất siro ngô giàu fructose (HFCS) ở

Mỹ Marshall và Kooi (1957) đã phát triển các quá trình sản xuất HFCS HFCS đượcthực hiện bởi quá trình thủy phân hóa học và thủy phân enzyme của amylose vàamylopectin trong tinh bột ngô để có siro ngô, chứa chủ yếu là glucose (siro glucose).Sau quá trình đồng phân hóa siro glucose để chuyển thành siro fructose thu đượcHFCS

Ba loại HFCS phổ biến hiện nay là:

1.2. Các ưu điểm của đường fructose và HFCS:

Fructose còn gọi là đường quả rất phổ biến trong thiên nhiên: có nhiều trong táo,

cà chua và chiếm gần một nửa thành phần mật ong Trong đường cát cũng có fructosenhưng ở dạng liên kết hữu cơ với đường glucose

Đường fuctose có độ ngọt cao hơn đường ăn tới 60-70% và do đó có thể dùng 1lượng ít hơn mà vẫn đáp ứng được nhu cầu theo “độ ngọt” và do đó lượng calo tiêuthụ sẽ giảm một cách đáng kể Khác với đường thực phẩm, fructose có thể sử dụngcho những bệnh nhân bị tiểu đường cần ăn kiêng vì sự đồng hóa fructose không phụthuộc insulin

Cả hai HFCS-55 và HFCS-42 có nhiều chức năng nổi trội, nhưng mỗi loại đều cótính chất độc đáo mà làm cho nó hấp dẫn đối với các nhà sản xuất thực phẩm riêngbiệt

Bởi vì nó có hàm lượng fructose cao, HFCS-55 có độ ngọt hơn sucrose và do đóđược sử dụng rộng rãi như chất tạo ngọt trong kẹo mềm, nước trái cây, và đồ uống có

ga

HFCS-42 có độ ngọt nhẹ hơn (tương đương với đường mía) và không che dấu mùi

vị tự nhiên của thực phẩm, do đó nó được sử dụng rộng rãi trong các loại trái cây đónghộp, nước sốt, súp, gia vị, thực phẩm nướng, và nhiều ứng dụng khác trong thực phẩmchế biến Nó cũng được sử dụng nhiều bởi các từ sữa ngành công nghiệp trong sữachua, sữa có hương vị, kem, và món tráng miệng đông lạnh khác

Việc sử dụng các HFCS đã tăng mạnh kể từ khi được giới thiệu như là một chấtlàm ngọt Mặc dù, sử dụng của nó lên đến đỉnh điểm vào năm 1999, nó là đối thủsucrose là chính chất tạo ngọt trong thực phẩm chế biến

HFCS có nhiều lợi thế hơn so với sucrose:

- Giá thành rẻ hơn gần 1/2

- Nguồn nguyên liệu dồi dào với giá rẻ

- Độ ngọt cao hơn khoảng 60 – 70%

- HFCS là chất lỏng nên dễ vận chuyển và sử dụng trong sản xuất nước giảikhát

- HFCS có tính acid nên khả có khả năng bảo quản lâu hơn mà cần ít chấtbảo quản

1.3. Tình hình nghiên cứu và sản xuất HFCS:

1.3.1. Trên thế giới:

Quá trình thuỷ phân tinh bột bằng enzyme được bắt đầu trên

nghiệp từ những năm 1950 Rechard O.Marshall và Earl R.Kooi là

processing Co của Mỹ là cơ sở sản xuất sirô fructose trên quy môcông nghiệp Năm 1967 hàm lượng frutose mới chỉ có 15%, đến năm

1968 thì hàm lượng fructose đạt 42% Các nhà khoa học Nhật Bảnnghiên cứu tinh chế fructose vào năm 1970 Từ đó HFCS được sảnxuất với mức độ tăng trưởng rất cao và được ứng dụng rất rộng rãitrong thực phẩm và đồ uống, đặc biệt ở Mỹ trong những năm 1975-

1985 Năm1972 khi enzymee glucose-isomerase sản xuất trên quy

mô lớn và được cố định trên một chất mang thì sản lượng sirôfructose tăng lên rất nhanh ở nhiều nơi trên thế giới

Bảng 1: Sản lượng HFCS năm 1988 của các nước trên thế giới(triệu tấn):

Hoa Kỳ 4.2 Các nước EU 1-2

Nhật Bản 0.8 Các nước đang phát triển 0.5

Canada 0.3 Các nước Đông Âu 0.2

Như vậy, sản lượng thế giới đã đạt khoảng 8 triệu tấn vào năm 1988 và đến nay thìcon số này đã tang rất nhanh

Bảng 2: Sự thay đổi về tiêu thụ đường ở thị trường Mỹ từ 1979 đến 1987

Hình 1: tình hình sử dụng đừng tinh luyện và HFCS trên thế giới (1970-2009).

Việc sử dụng 2 loại đường này có sự chuyển biến rõ rêt Sản lượng HFCS tăngkhông ngừng, đỉnh điểm là năm 1999 và có lúc ngang bằng với đường tinh luyện vàonăm 2002

Phần lớn chế độ ăn uống Hoa Kỳ chủ yếu sản xuất từ bốn cây trồng: ngô, lúa

mì, đậu tương và lúa gạo Trong số bốn loại cây trồng, ngô được cho là nổi trội nhất

và có lợi nhất cho trang trại canh tác và được trợ cấp cao Chính phủ Hoa Kỳ nângngô để "vua của các loại cây trồng"

Trên thế giới, ngô là một trong những cây ngũ cốc quan trọng, diện tích đứngthứ 3 sau lúa mì và lúa nước; sản lượng thứ hai và năng suất cao nhất trong các câyngũ cốc Năm 1961, diện tích ngô toàn thế giới đạt 105,5 triệu ha, năng suất 19,4tạ/ha, sản lượng 205 triệu tấn, đến năm 2009, diện tích trồng ngô thế giới đạt khoảng159,5 triệu ha, năng suất bình quân 51,3 tạ/ha, sản lượng 817,1 triệu tấn Trong đó

Mỹ, Trung Quốc, Braxin là những nước đứng đầu về diện tích và sản lượng

Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực quan trọng thứ hai sau cây lúa và là câymàu quan trọng nhất được trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau Sản xuất ngô cảnước qua các năm không ngừng tăng về diện tích, năng suất, sản lượng: năm 2001tổng diện tích ngô là 730.000 ha, đến năm 2005 đã tăng trên 1 triệu ha; năm 2010,diện tích ngô cả nước 1126,9 nghìn ha, năng suất 40,9 tạ/ha, sản lượng trên 4,6 triệutấn Tuy vậy, cho đến nay sản xuất ngô ở nước ta phát triển chưa tương xứng với tiềmnăng, chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng trong nước, hàng năm nước ta vẫn phảinhập khẩu từ trên dới 1 triệu tấn ngô hạt

Bảng 3: Thành phần dinh dưỡng chất khô trong hạt ngô (%):

Trong thành phần tinh bột của ngô gồm: 25% amylose (AM) và 75% amylopectin(AP) AM và AP đều là α- polysaccharide và đều do các gốc α- D-glucose cấu tạo nên

AM có trọng lượng phân tử từ 3.105 – 106 được cấu tạo từ

- glucose Các gốc glucose nối với nhau bằng liên kết α- 1,4

thành một mạch xoắn dài Cấu trúc xoắn được giữ vững nhờ liên kết

tạo thành giữa các nhóm OH tự do

Hình 2: Cấu trúc của Amylose.

AP được cấu tạo từ 600- 37000 gốc D- glucose Chúng gắn với

các liên kết α- 1,4 và α- 1,6 glucoside Chiều dài trung bình củamạch có nhánh tự do gồm 21- 27 gốc glucose (có trường hợp chỉ 15-

18 gốc) AP có phân tử lượng trong khoảng 107 – 108 trong khi phân

tử lượng của AM chỉ khoảng 3.105-106

Hình 3: cấu trúc cảu Amylopectin.

vượt trội so với các chất xúc tác hoá học, các chế phẩm enzyme

ngày càng nhiều và được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế

Một số nước sử dụng nguồn enzyme từ thóc mầm, malt đạimạch, phần lớn dùng chế phẩm enzyme từ việc nuôi cấy các chủng

năm 1996; 1,6 tỷ USD năm 1997 và tăng từ 6,5- 10 % hàng năm

Các enzyme được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm và côngnghiệp biến tính tinh bột như protease, amylase, lipase, xenlulasechiếm 70 % tổng khối lượng enzyme sử dụng, trong số đó 60 % hiệnđược sản xuất ở dạng enzyme tái tổ hợp

Trong quá trình sản xuất HFCS từ nguyên liệu tinh bột có sử

enzyme:

- α-amylase trong quá trình dịch hoá

- glucoamylase trong quá trình đường hoá

- glucoisomerase trong quá trình đồng phân hoá để chuyển hoá glucose thành fructose

1.4.2.1. α-amylase:

Theo danh pháp quốc tế, α- amylase gọi là α- 1,4 glucose-4glucahydrolase

(EC 3.2.1.1), có khả năng phân cắt các liên kết α- 1,4 glucoside

polysacaride một cách ngẫu nhiên không theo trật tự nào Do đó amylase có thể thuỷ phân được amylose, amylopectin, glycogen vàcác sản phẩm trung gian của quá trình thủy phân Nhưng không cókhả năng thủy phân liên kết α- 1,6 và α-1,3 glucoside Amylase làenzyme thủy phân tinh bột, đồng thời là một chế phẩm sinh họcđược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, đặc biệt trongsản xuất sirô chứa oligosaccharide, maltose và glucose

α-Enzyme amylase được dùng từ lâu đời theo phương pháp cổtruyền, 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 dụngphương pháp enzyme để thay thế phương pháp acid trước đây trênquy mô công nghiệp Ở Mỹ, 75 % sirô và glucose tinh thể được sảnxuất bằng phương pháp enzyme Việc sử dụng amylase ngày càngtrở nên rộng rãi hơn kể từ khi có α- amylase tính chiết từ một số

chủng vi sinh vật như Bacillus licheniformis được phát hiện là có tính

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

Các vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp α- amylase là:

- Các chủng Bacillus (như Bacillus acidoaldarius, Bacillus

amyloliquefaciens, Bacillus subtilis, Bacillus stearothermophilus), Streptomyces aureofacien, Thermophilus vulgaris.

- Các chủng nấm mốc Aspergillus, Rhizopus.

- Xạ khuẩn và nấm men Endomycopsis

Ở nhiệt độ 50- 60oC bị mất hoạ tính sau 24 giờ; ở 90oC giảm hoạtlực 17 % sau 6 phút

Trong công nghiệp, α- amylase của vi khuẩn được sử dụng rộng

đóng vai tròquan trọng trong việc duy trì cấu trúc phân tử cũng như khả năng

α- amylase phân hủy amylopectin thành các dextrin có chứa 4hoặc nhiều hơn gốc glucose bằng các liên kết α- 1,6 glucoside,maltose và glucose

1.4.2.2. Glucoamylase:

Theo danh pháp quốc tế, glucoamylase còn gọi là α- 1,4 glucanglucohydrolase, amyloglucozidase, γ- amylase Glucoamylase có khả

phân liên kết α- 1,4 glucoside của phân tử tinh bột, cắt đứt từng đơn

vị glucose của phân tử tinh bột từ đầu không khử Ngoài ra,glucoamylase còn có khả năngphân cắt mối liên kết α- 1,6 và α- 1,3 glucoside nhưng với tốc độ

Glucoamylase được sinh tổng hợp từ các chủng mốc Aspergillus

niger,

Aspergillus awamori hay Rhizopus

Glucoamylase có nguồn gốc từ nấm mốc có tính bền nhiệt caonhưng thường hay lẫn enzyme transglucozidase Đó là một enzyme

chuyển nhóm glucoside thành oligosaccharide (quá trình chuyển hoángược) Vì vậy, để thu nhận được glucoamylase không lẫntransglucozidase cần phải phân lập và tuyển chọn giống thuầnchủng Hầu hết các glucoamylase đều có đầy đủ 20 axit amin khôngthay thế Tùy thuộc vào loại glucoamylase 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 củaenzyme pH tối ưu cho hoạt động của các glucoamylase là 3,3- 3,5

Đa số glucoamylase của nấm mốc Aspergillus hoạt động tối thích ở

60oC Glucoamylase hoàn toàn bị vô hoạt ở 70oC Tất cả cácglucoamylase của nấm mốc đều là glucoprotein có chứa trong phân

tử từ 5- 20 % hydratcacbon, trong đó chủ yếu là glucose, glucoamin,maltose và galactose Trọng lượng phân tử của glucoamylase nấmmốc vào khoảng 26.850- 112.000 dalton Chúng đều có chứa cácamino axit: Metionin, triptophan và cistein Glucoamylase khôngthủy phân tinh bột ở dạng keo, vì thế cơ chất của glucoamylase làsản phẩm dịch thủy phân tinh bột của α- amylase Khả năng thủyphân của glucoamylase lên các cơ chất cũng khác nhau TheoFleming, glucoamylase 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 củacác cơ chất

Gluco-isomerase là chất xúc tác của phản ứng chuyển hoá glucose

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

D-xylose-Hình 4 Chuyển hoá glucose thành fructose bằng enzyme

glucoisomerase ( glucose và fructose ở dạng mạch thẳng và dạng mạch vòng).

Gluco-isomerase được thu nhận chủ yếu từ vi sinh vật, phổ biến

chủng vi khuẩn Bacillus, nhiều nhất là: Bacillus megaterium, B.

hợp từ những chủng này kém mạnh mẽ và không bền nhiệt

Gluco-isomerase có bản chất là protein Song enzyme thu được

nguồn khác nhau có hàm lượng axit amin trong phân tử khác nhau

glucoisomerase đều giàu alanin, leucin và glixin

Nhiệt độ hoạt động của gluco-isomerase thay đổi trong khoảng

ví dụ như L brevis hoạt động ở 45oC, S murius ở 60oC, Actinoplanes,

Missouriensis ở 90oC Gluco-isomerase thu nhận từ nguồn khác nhau

Ngâm, Xử lý SO2Hạt ngô

Làm sạch

Isomer hóa55-60oC, pH: 7-8

2. Quy trình công nghệ sản xuất HFCS:

3. Giải thích quy trình công nghệ:

3.1. Ngâm, xử lý SO 2 :

Nguyên liệu hạt ngô được cho vào bể ngâm với mục đích làm mềm hạt, tách 2/3 lượng chất hòa tan, tăng hiệu suất quá trình nghiền hạt thu hồi tinh bột Trong hạt ngô, các hạt tinh bột được gắn với nhau bơi vách protein, muốn giải phóng bớt phải làm thay đổi cấu trúc protein, làm yếu liên kết giữa các hạt tinh bột bằng cách phá hủykhuôn protein Do đó cần phải ngâm trong một thời gian nhất định

Các biến đổi xảy ra trong quá trình ngâm:

- Thay đổi tính chất cơ lý của hạt do liên kết giữa vỏ, phôi, nội nhũ bị phá

hủy hay bị yếu đi

- Thay đổi cấu trúc nội nhũ hạt do sự phá hủy hay giảm mối liên kết giữa các

tế bào của nội nhũ cũng như các hạt tinh bột và các phân tử protein trong tế bào

- Rút ra từ phần lớn các chất hòa tan trong hạt chưa ngâm

- Làm sạch bề mặt ngô

Tiến hành ngâm ngô trong nước ở nhiệt độ thường, đến cuối quá trình ngâm cóthể cho nước nóng chứa 0,18 - 0,25% H2SO3 vào bể ngâm, hoặc có thể ngâm ngaytrong dung dịch SO2 0,25% ở nhiệt độ 48-52oC.Thời gian ngâm hạt thường 4 – 6 giờ,tùy vào độ cứng của hạt ngô

Độ acid của hạt ngâm sau khi rửa không quá 70ml NaOH 0.1N để trung hòa100g chất khô Độ acid phụ thuộc vào chất lượng hạt và chế độ ngâm Độ acid cao cóthể là do hạt bị hỏng trong quá trình bảo quản, ngâm hạt ở nhiệt độ thấp hoặc không

đủ SO2

3.2. Nghiền, tách ép:

3.2.1. Nghiền thô và tách phôi:

Nghiền thô nhằm phá vỡ hạt thành mảnh để tách phôi dễ dàng đồng thời tỷ lệthu bột cao Phôi sau khi ngâm thì các liên kết với nội nhũ trở nên yếu hơn nên khinghiền phôi sẽ tách rời mà không bị nát vụn Thường được tiến hành trong thiết bịnghiền một đĩa quay

Tách phôi: nguyên tắc tách dựa vào sự chênh lệch khối lượng riêng của phôivới ngô mảnh Ngô mảnh nặng hơn nên lắng xuống dưới, phôi nằm ở trên và dễdàng tách chúng ra.

3.2.2. Nghiền mịn:

Dịch cháo sau khi nghiền thô gồm các phần tử nhỏ, vỏ liên kết với nội nhũ, mảnhnội nhũ nguyên, các hạt tinh bột và các phân tử gluten Mục đích của khâu này là giảiphóng triệt để các hạt tinh bột liên kết với vỏ và các mảnh nội nhũ trong cháo

Để nghiền mịn ta có thể dùng thiết bị nghiền cối, thiết bị nghiền hai dĩa, một sốthiết bị khác…

Sau khi nghiền, các hạt tinh bột phải lọt rây 0.5-0.6mm, còn vỏ hạt chủ yếu làcellulose nên không bị nát sau khi nghiền và không lọt sàn

Hình 5: thiết bị nghiền dĩa.

a) Thiết bị nghiền một dĩa.

b) Thiết bị nghiền hai dĩa.

3.2.3. Tách gluten:

Quá trình tách gluten cũng chính là quy trình tinh chế sữa tinh bột Trong quá trìnhnày cũng có thể cho thêm một lượng nhỏ H2SO3 nhằm hạn chế sự phát triển của visinh vật