“nghiên cứu công nghệ sản xuất polymaltose từ tinh bột sắn bằng enzyme để ứng dụng tạo phức hợp sắt polymaltose (ipc)”

3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ thủy phân tinh bột trong quá trình dịch hóa đến quá trình đường hóa tạo polymaltose DE 25 .... DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số tính chất của enzyme pu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGUYỄN HOÀNG PHI

“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYMALTOSE

TỪ TINH BỘT SẮN BẰNG ENZYME ĐỂ ỨNG DỤNG TẠO

PHỨC HỢP SẮT-POLYMALTOSE (IPC)”

LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

HÀ NỘI, 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGUYỄN HOÀNG PHI

“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYMALTOSE

TỪ TINH BỘT SẮN BẰNG ENZYME ĐỂ ỨNG DỤNG TẠO

PHỨC HỢP SẮT-POLYMALTOSE (IPC)”

LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng

để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm

Tác giả luận văn

Nguyễn Hoàng Phi

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ Bộ môn Công nghệ đường bột - Viện Công nghiệp thực phẩm cùng toàn thể Thầy cô khoa Công nghệ sinh học - Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã chỉ bảo tận tình giúp tôi trong suốt thời gian qua

Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Đức Mạnh - Viện Trưởng Viện công nghệ thực phẩm và TS Nguyễn Văn Giang - Bộ môn Vi sinh Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt cho tôi những kinh nghiệm về chuyên môn và luôn giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

Cuối cùng, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và bạn bè

đã luôn động viện, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Polymaltose – nguyên liệu để sản xuất phức sắt-polymaltose 3

1.1.1 Giới thiệu về polymaltose 3

1.1.2 Ứng dụng của polymaltose 4

1.1.2.1 Ứng dụng trong dược phẩm 4

1.1.2.2 Ứng dụng trong thực phẩm 6

1.2 Quá trình sản xuất polymaltose 6

1.2.1 Quá trình dịch hoá tinh bột bằng enzyme α- amylase 7

1.2.1.1 Giới thiệu enzyme α- amylase và nguồn sinh tổng hợp 7

1.2.1.2 Cơ chế thủy phân tinh bột của α- amylase 8

1.2.1.4 Giới thiệu một số enzyme dịch hóa 11

1.2.2 Quá trình đường hóa tạo polymaltose bằng enzyme pullulanase 12

1.2.2.1 Giới thiệu enzyme pullulanase 12

1.3.2.2 Giới thiệu chế phẩm enzyme thương mại Promozyme D2 15

1.3.2.3 Giới thiệu chế phẩm enzyme Pullulanase “Amano” 3 15

1.3.2.4 Giới thiệu chế phẩm enzyme Kleistase PL 16

1.3 Tinh bột- nguyên liệu để sản xuất polymaltose 16

1.3.1 Giới thiệu về tinh bột 16

1.4.2 Tinh bột sắn 19

1.4 Quá trình thu hồi sản phẩm 21

1.4.1 Quá trình làm sạch dịch bằng than hoạt tính 21

1.4.2 Thu hồi sản phẩm polymaltose bằng phương pháp sấy phun 23

1.5 Mô hình sơ đồ công nghệ sản xuất polymaltose từ tinh bột sắn 25

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Nguyên liệu, hóa chất 26

2.1.1 Nguyên liệu 26

2.1.2 Hóa chất 26

2.1.3 Thiết bị 26

2.2 Phương pháp 27

2.2.1 Phương pháp phân tích 27

2.2.1.1 Xác định nồng độ chất khô bằng chiết quang kế 27

2.2.1.2 Xác định pH bằng máy đo pH 27

2.2.1.3 Xác định nồng độ dịch bột bằng brome kế 27

2.2.1.4 Xác định độ nhớt của dịch thủy phân 27

2.2.1.5 Xác định độ ẩm của tinh bột sắn 27

2.2.1.6 Phương pháp xác định hàm lượng tinh bột 28

2.2.1.7 Xác định DE theo phương pháp phân tích Lane- Eynon 29

2.2.1.8 Xác định một số đường glucose, maltose, maltotriase bằng phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) 30

2.2.2 Phương pháp công nghệ 31

2.2.2.1 Nghiên cứu các điều kiện thích hợp cho dịch hóa tinh bột 31

2.2.2.2 Nghiên cứu các điều kiện thích hợp của quá trình đường hóa 31

2.2.2.3 Hoàn thiện phương pháp làm sạch dịch đường polymaltose và thu hồi sản phẩm dạng bột bằng phương pháp sấy phun 31

2.2.3 Phương pháp đánh giá cảm quan 31

2.2.4 Phương pháp sử dụng enzyme 32

2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu 32

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 Nghiên cứu các điều kiện dịch hóa tinh bột để làm nguyên liệu phù hợp cho quá trình đường hóa tạo polymaltose 33

3.1.1 Lựa chọn enzyme dịch hóa thích hợp cho quá trình sản xuất polymaltose 33

3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ thủy phân tinh bột trong quá

trình dịch hóa đến quá trình đường hóa tạo polymaltose DE 25 34

3.1.3 Xác định nồng độ enzyme thích hợp trong quá trình dịch hóa đạt DE 6 36

3.1.4 Ảnh hưởng của nồng độ dịch bột đến quá trình dịch hóa tạo DE 6 37

3.1.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian thủy phân tới quá trình dịch hóa tinh bột sắn tạo dịch có DE 6 38

3.1.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân tới quá trình dịch hóa 39

3.1.7 Xác định ảnh hưởng của pH tới quá trình dịch hóa 40

3.2 Nghiên cứu các điều kiện đường hóa thích hợp để tạo polymaltose 41

3.2.2 Xác định nồng độ enzyme promozyme D2 thích hợp trong quá trình đường hóa 42

3.2.3 Xác định nồng độ cơ chất thích hợp cho quá trình đường hoá 43

3.2.4 Nghiên cứu điều kiện pH thích hợp cho quá trình đường hoá 45

3.2.5 Xác định nhiệt độ thích hợp cho quá trình đường hoá 47

3.2.6 Xác định thời gian thích hợp cho quá trình đường hoá 48

3.3 Nghiên cứu điều kiện làm sạch và thu hồi sản phẩm polymaltose dạng bột 50

3.3.1 Nghiên cứu làm sạch dịch bằng than hoạt tính 50

3.3.2 Nghiên cứu điều kiện thu hồi sản phẩm polymaltose DE 25 dạng bột bằng phương pháp sấy phun 51

3.3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy phun tới chất lượng sản phẩm 51

3.3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất khô đến quá trình sấy phun tạo sản phẩm dạng bột 52

3.4 Kết quả phân tích chất lượng polymaltose 54

3.5 Xây dựng qui trình công nghệ sản xuất polymaltose de 25 54

3.5.1 Sơ đồ Quy trình công nghệ sản xuất polymaltose DE 25 từ tinh bột sắn 54

3.5.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 66

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

cP (CentiPoise) Đơn vị đo độ nhớt

Da (Dalton) Đơn vị trọng lượng phân tử

DE (Dextrose Equivalent) Số đương lượng đường khử quy ra

glucose

HPLC (High performance

liquid chromatography)

Sắc kí lỏng hiệu năng cao

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số tính chất của enzyme pullulanase 14 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của mỗi loại enzyme đến kết quả dịch hóa 33 Bảng 3.2 Ảnh hưởng của DE dịch hóa đến quá trình đường hóa tạo

polymaltose DE 25

34

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến quá trình dịch hóa 36 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột đến quá trình dịch hóa 37 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của thời gian dịch hóa đến chất lượng dịch hóa 38 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ dịch hóa đến chất lượng dịch hóa 39 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của pH đến quá trình dịch hóa 40 Bảng 3.8 Ảnh hưởng của enzyme đường hóa đến quá trình đường hóa 42 Bảng 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme Promozyme D2 đến quá trình

đường hóa

43

Bảng 3.10 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất trong quá trình đường hóa 44 Bảng 3.11 Xác định pH thích hợp cho quá trình đường hóa 45 Bảng 3.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình đường hóa 47 Bảng 3.13 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình đường hóa 49 Bảng 3.14 Ảnh hưởng của tỷ lệ than hoạt tính đến màu của dịch 51 Bảnh 3.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy phun đến chất lượng sản phẩm 52 Bảng 3.16 Ảnh hưởng của nồng độ dịch tới quá trình sấy phun sản phẩm 53 Bảng 3.17 Kết quả phân tích chất lượng sản phẩm polymaltose 54

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Polymaltose (liên kết α-1,4 glucoside, n = 1-18 ) 3

Hình 1.4 Diện tích và sản lượng sắn qua các năm 20 Hình 1.5 Khả năng hấp thụ của than hoạt tính 22 Hình 1.6 Mô hình sơ đồ công nghệ sản xuất polymaltose từ tinh bột sắn 25 Hình 3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất polymaltose DE 25 từ tinh

bột sắn

55

MỞ ĐẦU

Thiếu máu do thiếu sắt là một bệnh phổ biến tại Việt Nam và trên thế giới, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của khoảng 800 triệu người trên toàn cầu Thiếu máu do thiếu sắt làm ảnh hưởng đến các chức năng như hệ thống miễn dịch, hệ thống thần kinh, làm giảm khả năng miễn dịch, giảm hoạt động thể chất và suy giảm nhận thức Để điều trị thiếu máu do thiếu sắt, hàng ngày người ta sử dụng thuốc hoặc thực phẩm giàu sắt Tuy nhiên, hiện nay, các loại thuốc bổ sung sắt có mặt trên thị trường chủ yếu chứa sắt tồn tại ở trạng thái ion, khi sử dụng với liều lượng cao dễ gây ra các tác dụng phụ có hại Việc ổn định các nhân sắt không ion bằng các tác nhân tạo phức tan đang rất được quan tâm Trong những sản phẩm hỗ trợ bệnh này, loại phức sắt đang được thế giới đánh giá cao là phức hợp sắt- polymaltose (IPC) do nó có khả năng được hấp thu tốt,

độ an toàn cao và cho kết quả rất tốt Ở Việt Nam, sắt- polymaltose (IPC) hầu hết là hàng nhập khẩu do một trong những nguồn nguyên liệu sản xuất nên IPC

là polymaltose chưa được nghiên cứu và sản xuất, vì vậy việc nghiên cứu tổng hợp polymaltose để bào chế thuốc chống thiếu máu phục vụ nhu cầu trong nước

là vấn đề mang tính khoa học và thực tiễn cao

Polymaltose là sản phẩm thủy phân từ tinh bột, dễ tan trong nước, có cấu trúc polyme mạch thẳng bao gồm các phân tử D-glucose liên kết với nhau, có công thức cấu tạo (C6H10O5)n với khối lượng phân tử dao động tương đối lớn khoảng 25000-32000 Dalton, gồm từ 3-20 gốc glucose liên kết với nhau chủ yếu bằng liên kết α-1,4 glucoside Polymaltose được sản xuất và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực chế biến thực phẩm và dược phẩm Đặc biệt, polymaltose được dùng để tổng hợp phức sắt-polymaltose (IPC) dùng cho các bệnh nhân bị thiếu máu Phức chất sắt-polymaltose đã được sử dụng để sản xuất thuốc chống thiếu máu cả ở dạng viên nén và dạng dung dịch, được ghi nhận là hiệu quả trong việc tăng nồng độ hemoglobin trong máu mà chưa có trường hợp sốc phản vệ nào xảy ra Để tổng hợp các phức sắt-polymaltose đạt được hiệu suất và chất lượng cao thì nguồn nguyên liệu polymaltose phải có giá trị DE thích hợp cho quá trình tạo phức Đây là một phần nghiên cứu thuộc đề tài cấp nhà nước đang được thực hiện bởi Viện Hóa học-Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam và Viện

Công nghiệp thực phẩm Theo nghiên cứu này, polymaltose có mức độ thủy phân phù hợp nhất là DE 25 Với DE 25, polymaltose cho hiệu suất gắn kết và hiệu suất thu hồi đạt kết quả tốt nhất

Các loại tinh bột có nguồn gốc từ các hạt, củ, quả như khoai tây, gạo, sắn là nguồn nguyên liệu để sản xuất polymaltose Tuy nhiên, với ưu điểm là nguồn nguyên liệu sẵn có trên thị trường và giá thành rẻ nhất, tinh bột sắn được lựa chọn là nguồn nguyên liệu để sản xuất polymaltose góp phần làm tăng giá trị nông sản

Để chủ động được nguồn nguyên liệu polymaltose trong sản xuất IPC và tránh phụ thuộc vào việc nhập khẩu thì việc nghiên cứu sản xuất polymaltose cho việc tạo phức IPC ở Việt Nam là rất cần thiết

Chính vì những lý do trên chúng tôi đề xuất nghiên cứu:

“Nghiên cứu công nghệ sản xuất Polymaltose từ tinh bột sắn bằng enzyme

để ứng dụng tạo phức hợp sắt-polymaltose (IPC)”

Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu được công nghệ sản xuất polymaltose từ tinh bột sắn với chất lượng DE 25, glucose (G1) 3%, maltose (G2) 15%, maltose oligomers (G 3) 80%

Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu các điều kiện dịch hóa tinh bột để làm nguyên liệu phù hợp cho quá trình đường hóa tạo polymaltose

- Nghiên cứu các điều kiện đường hóa thích hợp để tạo polymaltose DE 25

- Nghiên cứu điều kiện làm sạch và thu hồi sản phẩm dạng bột

- Phân tích chất lượng sản phẩm

- Xây dựng quy trình sản xuất polymaltose

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 POLYMALTOSE – NGUYÊN LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT PHỨC SẮT- POLYMALTOSE

1.1.1 Giới thiệu về polymaltose

Polymaltose có cấu trúc polyme mạch thẳng bao gồm các phân tử glucose liên kết với nhau, có công thức cấu tạo: (C6H10O5)n với phân tử lượng dao động tương đối lớn khoảng 25000-32000 dalton, gồm từ 3-20 gốc glucose liên kết với nhau chủ yếu bằng liên kết α-1,4 glucoside [58]

Hình 1.1 Polymaltose (liên kết α-1,4 glucoside, n = 1-18 )

Polymaltose là một dạng của maltoolygosaccharide, nó được sản xuất từ tinh bột sắn với sự tham gia của vi sinh vật và được ứng dụng nhiều trong thực phẩm và dược phẩm bởi các tính chất sau [15;42;56]:

- Polymaltose là một dạng polysaccharide mạch thẳng nên có khả năng liên kết với sắt để tạo phức sắt-polymaltose (IPC) rất tốt

- Polymaltose có khả năng giữ ẩm tốt và hạn chế kết tinh, đặc biệt polymaltose ngăn chặn sự di chuyển độ ẩm từ hạt tinh bột, do đó làm giảm hiện tượng thoái hóa bằng cách ức chế quá trình tái cấu trúc chuỗi amylose và amylopectin cùng sự liên kết giữa tinh bột-gluten Chính vì vậy, polymaltose có khả năng duy trì độ ẩm cao, giữ được độ ẩm phù hợp trong thực phẩm đặc biệt là các loại bánh tươi

- Polymaltose có thể được hấp thu từ từ trong máu, cung cấp năng lượng cho cơ thể một cách đều đều, giữ ổn định đường trong máu trong thời gian dài

- Được dùng để căn chỉnh kích thước màng, ổn định các tính chất của các sản phẩm thực phẩm và nguyên liệu

- Khi bổ sung vào thực phẩm, đồ uống polymaltose là tác nhân kìm hãm thành phần máu, vì nó thay thế một phần glucose nên hàm lượng glucose thấp Hơn nữa sẽ ngăn cản sự kết tinh đường saccharose và bảo vệ cấu trúc của sản phẩm trong thời gian bảo quản

- Polymaltose có độ ngọt thấp chỉ bằng 30% so với đường saccharose dung dịch 10% ở nhiệt độ 25ºC, do đó có thể thay thế đường saccharose trong các thực phẩm để giảm độ ngọt sản phẩm mà không ảnh hưởng đến hương vị vốn

1.1.2.1 Ứng dụng trong dược phẩm

- Ứng dụng trong sản xuất phức hợp sắt-polymaltose:

Polymaltose là một dạng polysaccharide mạch thẳng nên có khả năng liên kết với sắt để tạo phức IPC rất tốt, tan trong nước đáp ứng được các yêu cầu chữa bệnh gồm độc tính thấp, dễ kết hợp với máu và có độ ổn định cao Phức chất sắt-polymaltose đã được sử dụng làm thuốc chống thiếu máu cả ở dạng viên nén và dạng dung dịch, được ghi nhận là hiệu quả trong việc tăng nồng độ hemoglobin trong máu mà không gây ra hiện tượng sốc phản vệ [4;18;34;52] Thiếu máu do thiếu sắt một bệnh phổ biến tại Việt Nam và trên thế giới, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của hàng tỷ người, đặc biệt là phụ nữ tuổi sinh đẻ, phụ nữ mang thai và trẻ nhỏ Tình trạng thiếu máu do thiếu sắt đã làm

ảnh hưởng đến các chức năng như hệ thống miễn dịch, hệ thống thần kinh, làm giảm khả năng miễn dịch, giảm hoạt động thể chất và suy giảm nhận thức [16;26;45;48]

Theo đánh giá của Tổ chức Y tế thế giới (WHO): nguyên nhân thiếu máu

do thiếu sắt chiếm tới 50% tổng số người thiếu máu ở các nước đang phát triển [50] Ước tính có khoảng 1,6 tỷ người trên toàn thế giới bị thiếu máu [22;38] Từ

số liệu điều tra trên 192 quốc gia từ năm 1993 đến năm 2005 (Ngân hàng dữ liệu toàn cầu của WHO) cho thấy có 56,4 triệu phụ nữ có thai bị thiếu máu [55] Theo số liệu điều tra năm 2008 của Viện dinh dưỡng, tỷ lệ thiếu máu của phụ nữ Việt Nam ở phụ nữ không mang thai là 26,5%, ở phụ nữ mang thai (31,4%), trẻ

em dưới 5 tuổi (29,4%) đây là thực trạng đáng lo ngại [10]

Người ta nhận thấy rằng hầu hết các trường hợp thiếu máu do thiếu sắt đều có thể điều trị hiệu quả bằng cách bổ sung sắt hàng ngày dưới dạng thuốc hoặc thực phẩm giàu sắt Nhiều loại thuốc chứa sắt điều trị thiếu máu đã được sản xuất trên thế giới bao gồm cả sắt vô cơ và hữu cơ với sắt hóa trị II hoặc III Với liều lượng cao, sắt tồn tại ở trạng thái ion dễ gây ra các hiệu ứng phụ có hại như rối loạn đường ruột, ngộ độc sắt, biến màu men răng… Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách ổn định các nhân sắt oxy-hydroxide (FeOOH) không ion kích thước nano bằng các tác nhân tạo phức tan trong nước đó là phức sắt polymaltose (IPC) [4;24;32;34;44]

Các nghiên cứu hóa sinh và dược học trên người cho thấy, khi sử dụng, IPC không giải phóng ra sắt ở trạng thái ion trong điều kiện sinh lý của cơ thể Hơn nữa, nhân sắt trong IPC được bao bọc bởi phân tử polymaltose có cấu trúc tương tự như trong ferritin (một protein chứa sắt có nhiệm vụ giữ sắt cho cơ thể, chủ yếu ở trong gan và lách) Do cấu trúc tương tự này mà sắt trong IPC được cơ thể hấp thụ tốt hơn các dược phẩm chứa sắt truyền thống qua đường tiêm truyền

và qua dịch thể ở dạ dày và ruột Mặt khác, nhân sắt trong IPC không bị oxy hóa

do không chứa các hợp chất Fe (II) Do vậy, quá trình hấp thụ sắt xảy ra có điều khiển và phù hợp với sinh lý, làm giảm nguy cơ quá thừa sắt, không gây độc tế

bào Sử dụng IPC cũng tránh được hiện tượng kích thích trong hệ tiêu hóa và hiện tượng táo bón như thường xảy ra với các chất chứa sắt khác [31]

- Ngoài ra, polymaltose còn được sử dụng làm tá dược đóng viên nén, được bổ sung vào thực phẩm chức năng, thực phẩm ăn kiên, thuốc bổ,…làm cho người bệnh hấp thu tốt hơn, đối với người bệnh tiểu đường thì giúp cho đường máu ổn định hơn [18; 62]

1.1.2.2 Ứng dụng trong thực phẩm

Trong công nghiệp bánh kẹo, polymaltose được sử dụng trong sản xuất kẹo ngọt, các món tráng miệng, kẹo mềm, bánh ngọt, bánh nướng, kem bơ, [12; 42]

Trong công nghiệp đồ uống, polymaltose được sử dụng làm chất độn tạo viên trong công nghiệp sản xuất đồ uống, đặc biệt là đồ uống cho trẻ em, đồ uống

và thức ăn riêng cho vận động viên thể thao, làm kẹo gum mềm, làm chất trợ sấy, chất giữ hương, yếu tố tạo hình [11;42]

Sản phẩm có còn được sử dụng làm chất kết dính, kẹo gum, làm dịu hương, chất tăng vị cho đồ uống, sử dụng thay thế glucose và saccharose, đưa vào thành phần bơ, sữa bột, cà phê hòa tan…[42; 56]

1.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT POLYMALTOSE

Quá trình sản xuất polymaltose gồm hai giai đoạn:

Giai đoạn 1 là giai đoạn dịch hóa làm giảm độ nhớt của tinh bột và làm cho tinh bột tan hoàn toàn giúp cho quá trình đường hóa được tốt

Giai đoạn 2 là giai đoạn đường hóa tạo polymaltose mạch thẳng tức là trong giai đoạn đường hóa chỉ tiến hành thủy phân liên kết α-1,6 glucoside [27;42;43]

1.2.1 Quá trình dịch hoá tinh bột bằng enzyme α- amylase

Để tạo ra tinh bột tan có DE thích hợp cho quá trình đường hoá tạo polymaltose trước hết phải tiến hành quá trình dịch hoá tinh bột bằng enzyme α-amylase

1.2.1.1 Giới thiệu enzyme α- amylase và nguồn sinh tổng hợp

Đây là enzyme nội bào (endo - 1,4 α- D glucan glucohydrolase) thủy phân liên kết α-1,4 glucoside của phân tử amylose một cách ngẫu nhiên không theo trật tự nào Do đó α- amylase có thể thủy phân được amylose, amylopectin

và các sản phẩm trung gian của quá trình thủy phân Nhưng không có khả năng thủy phân liên kết α-1,6 và α-1,3 glucoside [1; 13; 20] Đó cũng là những endo - enzyme tấn công các liên kết nội phân tử bên trong mạch tinh bột Các α-amylase được phân loại theo tính chất và hoạt động của nó, α-amylase thủy phân tinh bột chủ yếu tạo ra dextrin được xếp vào loại “dịch hóa” Enzyme α-amylase có thể nhận được từ nhiều loại vi khuẩn, nấm men, nấm mốc Tuy nhiên α- amylase vi khuẩn vẫn được sử dụng nhiều nhất do một số đặc điểm ưu việt như: có hoạt tính cao hơn, có nhiệt độ tối ưu cao hơn so với các α-amylase thu được từ nấm mốc, nấm men [3;9;17;37;39;40]

* Nguồn sinh tổng hợp α-amylase

Bacillus là chủng vi khuẩn quan trọng nhất được sử dụng để sản xuất amylase trong công nghiệp bằng phương pháp nuôi cấy bề mặt và phương pháp nuôi cấy chìm Hiện nay có nhiều phương pháp nghiên cứu sản xuất α- amylase

bền nhiệt từ B licheniformis, trong đó phương pháp nuối cấy bề mặt cho hiệu

suất kinh tế cao [9;28; 49]

Nấm mốc Aspergillus là loài phổ biến trong sản xuất enzyme ngoại bào

Hiệu suất sinh tổng hợp enzyme có thể tăng lên nhiều nhờ điều kiện nuôi cấy và thành phần môi trường Phương pháp sử dụng trong nuôi cấy enzyme α- amylase

từ nấm mốc là phương pháp nuôi cấy bề mặt, sử dụng chủng Asp oryzae trong

thiết bị với dòng khí phun từ dưới lên có tác dụng đảo trộn các hạt trong môi trường, giúp tăng tốc độ truyền nhiệt và truyền khối, tăng hiệu suất sinh tổng hợp enzyme Các điều kiện trao đổi oxy, đặc biệt là áp suất oxy hòa tan là những yếu

tố quan trọng trong sản xuất α- amylase [20; 57]

Xạ khuẩn và nấm men Endomycopsis cũng có khả năng tổng hợp α-

amylase, tuy nhiên hoạt lực α- amylase của chúng không cao [53;56]

1.2.1.2 Cơ chế thủy phân tinh bột của α- amylase

Enzyme α- amylase thủy phân tinh bột một cách ngẫu nhiên các liên kết α-1,4 glucoside, khi thủy phân α-amylase tấn công amylose phân cắt thành maltose, maltotriose, oligosaccharide Giai đoạn tiếp theo là quá trình thủy phân thành các dextrin phân tử lượng thấp, nhưng quá trình này xảy ra chậm, đặc biệt

là các maltotriose vì cơ chất này không thích hợp với α- amylase Nếu chịu tác dụng lâu dài thì α- amylase có thể chuyển phần lớn các chất trên thành maltose

và glucose

Khi thủy phân amylopectin, giai đoạn đầu dẫn tới hình thành các dextrin giới hạn, có nhánh, và trọng lượng phân tử thấp là maltose và glucose Giai đoạn sau, thủy phân maltotriose với tốc độ rất chậm Sản phẩm cuối cùng ngoài maltose và glucose còn có các dextrin phân tử lượng thấp và isomaltose Thủy phân tinh bột bằng α- amylase dịch hóa, mức độ polyme không vượt quá 30 - 40% và tạo thành chủ yếu là dextrin và một ít đường

Tinh bột α−amylaza ,H2O→ α- dextrin + glucose + maltose

Cơ chế tác dụng của α- amylase lên phân tử tinh bột là thủy phân không định vị các liên kết α-1,4 glucoside trong các polysaccharid, dịch tinh bột loãng

ra và độ nhớt giảm Quá trình thủy phân tinh bột bằng enzyme tiến hành qua một loạt các sản phẩm trung gian có phân tử lượng khác nhau gọi là dextrin Lúc đầu thu được các dextrin có phân tử lượng lớn, khác biệt so với tinh bột về cấu trúc

cũng như tính chất tác dụng với iot Sau đó các dextrin thu được có phân tử lượng ngày càng thấp dần và tính chất tác dụng với iot cũng thay đổi [35;41]

1.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới enzyme α-amylase

* Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất

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

độ cơ chất lớn, vận tốc phản ứng đạt cực đại và không phụ thuộc [S], nếu nồng

độ cơ chất bằng Km thì vận tốc phản ứng bằng một nửa vận tốc cực đại Tuy nhiên cũng như một số enzyme khác, α - amylase bị ức chế bởi cơ chất trong trường hợp thừa cơ chất [17]

* Ảnh hưởng của nồng độ enzyme

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

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

*Ảnh hưởng của pH lên hoạt độ của α- amylase

Mỗi α- amylase phụ thuộc vào nguồn gốc thu nhận mà có pH thích hợp và đặc trưng riêng Thường gặp là các α- amylase có pH hoạt động khoảng 5,0 – 7,0, một số loại có pH hoạt động khá cao 7,5 – 10, các enzyme này thường gặp ở các chủng ưa kiềm, thuộc nhóm enzyme kiềm tính Enzyme hoạt động ở vùng pH thấp, thuộc nhóm enzyme axit Một số α- amylase có vùng pH hoạt động khá rộng, tối ưu ở pH = 6,0 – 7,0, nhưng ở vùng pH axit thấp và axit cao chúng vẫn giữ được tới 70 - 80% hoạt tính pH hoạt động của α- amylase từ nấm mốc là 4,5-5,0, của vi khuẩn là 5,8-7,0 Nếu pH<4,0 thì α- amylase của vi khuẩn bị mất hoàn toàn hoạt lực [53]

*Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động của α- amylase

Enzyme α-amylase có nguồn gốc khác nhau thì có nhiệt độ tối thích khác nhau Phần lớn α- amylase của động vật, thực vật và một số loại vi sinh vật có nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 40 – 500C Một số loại enzyme ưa lạnh và chủ yếu là các loại enzyme có nhiệt độ tối ưu cao hay còn gọi là enzyme chịu nhiệt Nhiệt độ tối ưu của enzyme chịu nhiệt thường > 650C Maining và Campell đã

xác định nhiệt độ tối thích của các enzyme có nguồn gốc khác nhau như : B

stearothermophilus: 55 – 700C, B subtilus: 600C, B licheliformis: 90 -1050C [23; 29; 47]

*Các chất kìm hãm hoạt động của α- amylase

Các chất kìm hãm hoạt động của enzyme α-amylase có cơ chế tác động hoàn toàn khác với cơ chế hoạt động của một số chất bất hoạt enzyme Các chất kìm hãm hoạt động của enzyme hoạt động theo cơ chế cạnh tranh và không cạnh tranh với cơ chất Khi giải phóng khỏi chất kìm hãm enzyme lại hoạt động trở lại Nghiên cứu cơ chế hoạt động của chất kìm hãm là một biện pháp hữu hiệu để nghiên cứu hoạt động của enzyme, xác định vị trí của tâm gắn cơ chất, tâm hoạt động trên các cấu trúc bậc ba của α- amylase Các chất kìm hãm của α- amylase chia làm hai loại:

- Chất kìm hãm có cấu trúc tương tự cơ chất

- Chất kìm hãm có bản chất protein Nhiều chất kìm hãm có bản chất protein chỉ tìm thấy ở thực vật và vi sinh vật Các chất này có tính chất đặc biệt là kìm hãm hoạt động của α- amylase

động vật và một số chủng Streptomyces, nhưng lại không kìm hãm hoạt động của

α- amylase thực vật và hầu hết các loại vi sinh vật khác Tất cả các chất kìm hãm này đều có vùng đặc trưng chứa trình tự Trp - Arg - Tyr

*Ảnh hưởng của Ca 2+ lên hoạt tính và độ bền nhiệt của α- amylase

Phần lớn α- amylase có hoạt tính và độ bền nhiệt phụ thuộc vào Ca2+nhưng ở mức độ khác nhau Ở một số α- amylase cả hoạt tính và độ bền nhiệt đều phụ thuộc vào Ca2+ Một số khác chỉ làm tăng độ bền nhiệt mà không ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme α-amylase Ở nhiệt độ thấp Ca2+ hoàn toàn có thể thay thế bằng các ion kim loại hóa trị hai khác thuộc nhóm kiềm thổ, ở nhiệt

độ cao thì không thể thay thế Chỉ có một số ít α- amylase mà Ca2+ không ảnh hưởng tới hoạt tính cũng như độ bền nhiệt của enzyme EDTA là chất khử Ca2+ nênlàm giảm hoạt lực của α- amylase Ca2+ làm giảm hoạt tính α- amylase mạnh nhất (gần 80%) ở nồng độ 5 mM Vì vậy, ion Ca2+ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cấu trúc phân tử cũng như khả năng hoạt động của enzyme α- amylase [14]

1.2.1.4 Giới thiệu một số enzyme dịch hóa

Giới thiệu enzyme Termamyl

Termamyl 120L là chế phẩm enzyme dạng lỏng của hãng Novo - Đan Mạch, chịu được nhiệt độ cao và pH trung tính Chế phẩm này được sản xuất từ

vi sinh vật Bacillus licheniformis Termamyl là enzyme ở dạng endo - amylase,

có tác dụng thủy phân α-1,4 glucoside Cơ chất tinh bột dưới tác dụng của Termamyl sẽ tạo thành dextrin và oligosaccharide tan trong nước Termamyl

hoạt động ổn định ở 90 - 1000C, pH 5 - 6 Termamyl nếu được bảo quản ở 50C thì hoạt tính có thể duy trì tối thiểu là 1 năm [41]

Chế phẩm Liquozyme Supra (Novozyme- Đan Mạch)

Liquozyme Supra là một hỗn hợp dạng lỏng của các enzyme α-amylase bền nhiệt được sử dụng dịch hóa tinh bột Chế phẩm enzyme được sản xuất từ chủng

tái tổ hợp Bacillus licheniformis Hoạt lực của enzyme đạt 135 KNU/g, dải pH

hoạt động thích hợp: 5,1-5,6; nhiệt độ thích hợp: 105-1100C, liều lượng khuyến cáo sử dụng: 0,25-0,65 kg/tấn tinh bột [36]

Giới thiệu enzyme Amylex®HT

Amylex®HT là tên thương mại của enzyme thuộc nhóm α- amylase, dạng lỏng, màu nâu và chịu nhiệt Amylex®HT có xuất xứ từ Mỹ được sản xuất bằng công nghệ cao, tự động hóa Amylex®HT là enzyme 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

Amylex®HT sử dụng trong công nghệ tinh bột để dịch hóa tinh bột tạo ra dextrin phân tử thấp Do khả năng chịu nhiệt, khoảng pH hoạt động rộng 4,0 - 7,0

và nhu cầu canxi thấp nên Amylex®HT có thể dịch hóa tinh bột ở nhiệt độ cao khoảng 80 - 900C mà không cần bổ sung thêm ion canxi, hoạt tính enzyme bị vô hoạt hoàn toàn khi đưa lên 1000C, trong khoảng thời gian nhất định Liều lượng

sử dụng tùy thuộc bản chất và tỷ lệ chất khô trong cơ chất, chỉ số DE của dịch dextrose cuối, nhiệt độ và pH dịch hóa, thời gian dịch hóa (thông thường là 30 -

120 phút), liều lượng enzyme khuyến cáo: Tỷ lệ sử dụng không quá 0,5 kg Amylex®HT/ tấn tinh bột khô [21; 39]

1.2.2 Quá trình đường hóa tạo polymaltose bằng enzyme pullulanase

1.2.2.1 Giới thiệu enzyme pullulanase

Enzyme pullulanase là enzyme đường hóa cắt mạch nhánh, theo danh pháp quốc tế enzyme pullulanase gọi là pullulan 6- glucanohydrolase (EC

3.2.1.41) Pullulanase là enzyme thủy phân liên kết α -1,6 glucoside trong phân

tử amylopectin, α- dextrin, glycogen, pullulan, tuy nhiên nó không có tác dụng đối với amylose và các oligosacarid mạch thẳng [56]

Pullulanase có trong thực vật như: Đậu Hà lan, cây yến mạch, malt, gạo,… nhưng nguồn sản xuất dồi dào và phong phú nhất là các chủng vi sinh vật

Pullulanase lần đầu tiên được tìm thấy từ Klebsiella pneumoniae (tên gọi khác

Aerobacter aerogenes ), sau này người ta phát hiện thấy pullulanase được sinh tổng hợp từ các nguồn vi sinh vật rất đa dạng như : Encherichia intermedia,

Streptococcus mitis, Bacillus acidopullulyticus, Streptomyces flavochromogenas, Oryza sativa, Hordeum valgare, Bacillus macerans, Bacillus polymyxa ,

Aerobacter aerogenes, Pseudomonas stutzeri, Bacillus amyloliquefacien [56]

Pullulanase từ chủng K pneumoniae được dùng trong nghiên cứu cấu trúc

của tinh bột và glycogen, thuỷ phân cấu trúc phân nhánh α -1,6 glucoside Trong sản xuất các loại đường glucozse, maltose, maltotriose từ tinh bột trên quy mô

công nghiệp người ta ứng dụng pullulanase từ K pneumoniae và B

acidopullulyticus để tăng hiệu suất chuyển hoá [25] Ví dụ trong công nghệ sản xuất maltose nếu kết hợp pullulanase với α – amylase và β - amylase thì hiệu suất chuyển hoá tăng 97% Ngoài ra pullulanase còn được sử dụng để sản xuất cyclodextrin nhánh mà gốc maltooligosyl liên kết với gốc hydroxyl ở vị trí C6 của phân tử cyclodextrin bằng cách ủ hỗn hợp maltooligosaccharide và cyclodextrin với pullulanase Tất cả các pullulanase được biết đến ngày này đều không có khả năng thuỷ phân cyclodextrin [15]

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật DNA tái tổ hợp

người ta đã tách gen pullulanase từ chủng Desulfurococcus mucosus DSM2162

ghép vào B subtilis JA803 để sinh tổng hợp enzyme pullulanase [25]

Enzyme pullulanase từ các chủng vi sinh vật khác nhau, có những đặc tính

kỹ thuật giống và khác nhau Bảng dưới cho thấy một số đặc tính kỹ thuật của

enzyme pullulanase từ 2 chủng K pneumoniae và B acidopullulyticus Hiện nay

2 chủng này được sử dụng để sinh tổng hợp enzyme trên quy mô công nghiệp của 2 hãng nổi tiếng thế giới đó là Nhật Bản và Đan Mạch

Bảng 1.1 : Một số tính chất của enzyme pullulanase [56]

Nội bào sinh enzyme

Ngoại bào sinh enzyme

Chủng 11647 (Ngoại bào sinh enzyme)

Chủng 11777 (Ngoại bào sinh enzyme)

(1) Sử dụng cơ chất pullulan, (2) Sử dụng cơ chất là amylopectin

Phần lớn pullulanase đều có trọng lượng phân tử tương đối gần nhau

khoảng 90000- 100000 Dalton, nhưng với pullulanase của Bacillus polymyxa

trọng lượng phân tử chỉ có 48000 Da [56] Trọng lượng phân tử được xác định

bằng điện di gel polyacrylamid 12,5% của 2 chủng K pneumoniae và B

acidopullulyticus là 66.000 – 90000 Da [57]

Pullulanase có nguồn gốc khác nhau hoạt động thích hợp ở các điều kiện nhiệt độ, pH khác nhau Nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của pullulanase từ chủng

Bacillus sp 202-1 là 550C, chủng Streptococcus mitis là 300C Pullulanase từ

chủng B acidopullulyticus hoạt động thích hợp nhất ở pH 5,5 và nhiệt độ 550C, tuy nhiên nhiệt độ thích hợp cho sinh tổng hợp enzyme từ chủng này là 350C

[39], pH tối ưu cho hoạt động của pullulanase từ K pneumoniae là 6,0 –7,0 và

enzyme duy trì được 80 % hoạt lực khi pH 5-10 , nhiệt độ hoạt động thích hợp là

55 0C và nhiệt độ enzyme ổn định 40- 55 0C [42]

Pullulanase có tác dụng thủy phân liên kết α -1,6 glucoside của phân tử amylopectin, các oligosaccharide mạch nhánh nên giá trị DE tăng theo thời gian

phản ứng Khả năng thuỷ phân của pullulanase từ chủng Streptococcus mitis trên

cơ chất amylopectin và glycogen là 50% và 30% Pullulanase không thuỷ phân các liên kết α -1,6 glucoside trong isopanose, isomaltose và một số mạch nhánh ngắn [19;27]

Pullulanase kết hợp enzyme α-amylase trong thuỷ phân tinh bột để sản xuất ra một loạt các maltooligosaccharide khác nhau như: maltose, maltotriose, maltotetraose, maltopentaose, maltohexaose, maltoheptaose…và làm tăng đường khử theo thời gian thuỷ phân

1.3.2.2 Giới thiệu chế phẩm enzyme thương mại Promozyme D2

Promozyme D2 là tên thương mại của enzyme Pullanase, Promozyme D2 thủy phân liên kết α-1,6 glucoside của amylopectin trong phân tử tinh bột

Promozyme D2 được sản xuất từ chủng Bacillus subtilis đột biến do hãng NoVo-

Đan Mạch Chế phẩm dạng lỏng, có màu vàng, hoạt động ở nhiệt độ 45-650C, pH

=5-7, tỉ lệ sử dụng từ 0,1-0,5% (so với tinh bột) Bảo quản ở nhiệt độ từ 0-250C, bị bất hoạt ở nhiệt độ 800C trong 40 phút và 850C trong 5 phút [46]

1.3.2.3 Giới thiệu chế phẩm enzyme Pullulanase “Amano” 3

Enzyme Pullulanase “Amano” 3 là chế phẩm được sản xuất từ chủng

Klebsiella pneumoniae do hãng amano - Nhật Bản sản xuất Chế phẩm dạng

lỏng, có màu vàng sáng, hoạt động tốt ở 40 - 650C, pH = 5,5-7,5, có thể duy trì được hoạt lực ở 0-50C trong thời gian 6 tháng Enzyme mất hoạt tính bằng cách nâng nhiệt 800c trong 40 phút hoặc 850C trong 5 phút [64]

1.3.2.4 Giới thiệu chế phẩm enzyme Kleistase PL

Enzyme Kleistase PL là chế phẩm được sản xuất từ chủng

Pullulanibacillus naganoensis do hãng Amano – Nhật bản sản xuất Chế phẩm dạng lỏng, có màu vàng, hoạt động ở nhiệt độ 50-650C, pH =5-6, hoạt lực 405 PLU/g, bảo quản ở 50C, bị bất hoạt ở 80-850C [64]

1.3 TINH BỘT- NGUYÊN LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT POLYMALTOSE

1.3.1 Giới thiệu về tinh bột

Tinh bột là nguồn nguyên liệu để tổng hợp polymaltose của đề tài Tinh bột

là hợp chất hữu rất cơ phổ biến chỉ sau xenlulose Tinh bột thường có trong củ, quả, hạt của cây xanh, chúng đóng vai trò là chất dự trữ năng lượng cho cây Ngoài ra tinh bột còn có nhiều trong các loại rau quả và là nguồn cung cấp calo

chính cho người và gia súc Các nguyên liệu khác nhau thì thành phần tinh bột

trong đó cũng không giống nhau tuỳ thuộc vào đặc điểm nguyên liệu: tinh bột trong sắn chiếm 95%; trong khoai lang là 81%; lúa, gạo, ngô tinh bột chiếm 35 – 70%, khoai tây 70-75%%,…Hình dạng và thành phần hóa học của tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt [1]

Tinh bột là loại polysaccharide carbonhydrate khối lượng phân tử cao gồm các đơn vị glucose được nối nhau bởi các liên kết α- glucoside, có công thức phân tử là (C6H10O5)n, với n có thể từ vài trăm đến hơn một triệu Tinh bột tồn tại chủ yếu trong thực vật dưới dạng các hạt có kích thước 0,02 đến 0,12 nm Hạt tinh bột có cấu tạo hình tròn, hình bầu dục hay đa giác Hạt tinh bột có nguồn gốc thực vật khác nhau thì có hình dạng và kích thước khác nhau Kích thước của các hạt tinh bột khác nhau cũng ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của tinh bột như nhiệt

độ hồ hóa, khả năng hấp thụ xanh metylen…Hạt tinh bột nhỏ có cấu trúc chặt, hạt tinh bột lớn có cấu trúc xốp Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm do những tính chất hóa lí của chúng Tinh bột thường dùng làm chất tạo độ nhớt sánh cho các thực phẩm dạng lỏng hoặc là tác nhân làm bền keo hoặc nhũ tương, như các yếu tố kết dính và làm đặc tạo độ cứng, độ đàn hồi

cho nhiều loại thực phẩm Ngoài ra tinh bột còn nhiều ứng dụng trong dược phẩm, công nghiệp dệt, hóa dầu

Tinh bột được cấu tạo bởi hai cấu tử: amylose và amylopectin Tính chất của tinh bột được quyết định bởi tính chất và tỉ lệ giữa hai cấu tử này[15].Tỷ lệ phần trăm amylose và amylopectin thay đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, amylose thường chiếm 12-25% còn amylopectin chiếm 75-85% phân tử tinh bột Phân tử lượng của amylose chiếm 3.104-1.106Da và amylopectin là 5.105-1.107Da [27] Phân tử amylose và amylopectin đều được cấu thành từ các phân tử glucose

Amylose

Hình 1.2 Cấu tạo amylose

Amylose có các gốc glucose gắn với nhau bằng liên kết α-1,4-glucoside thông qua cầu oxy giữa các nguyên tử cacbon thứ nhất và thứ tư của glucose tạo nên một chuỗi dài 200-1000 đơn vị glucose, mạch tạo thành phân tử amylose là mạch thẳng [33]

Amylopectin:

Hình 1.3 Cấu tạo amylopectin

Phân tử amylopectin ngoài liên kết α-1,4-glucoside còn có liên kết nhánh α-1,6-glucoside, vì vậy ngoài cấu trúc mạch thẳng, amylopectin còn có cấu trúc mạch nhánh, thông thường có 20-30 gốc glucose giữa hai điểm phân nhánh [33]

Do cấu tạo phân tử khác nhau, amylose và amylopectin có tính chất lý hoá khác nhau Amylose tác dụng với iốt sẽ cho phức hợp màu xanh trong khi đó amylopectin cho màu nâu Đó là do phân tử amylose có dạng hình xoắn ốc nên hấp thụ được các phân tử iốt Amylose dễ hoà tan trong nước ấm, tạo nên dịch có

độ nhớt không cao còn amylopectin chỉ hoà tan khi đun nóng và cho dịch có độ nhớt cao Dịch amylose 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 amylopectin không có xu hướng kết tinh, chúng có

khả năng giữ nước lớn nên dịch amylopectin thường không bị thoái hoá [11;54]

Hạt tinh bột khi được xử lý thuỷ nhiệt thì sẽ xảy ra hiện tượng hồ hoá và hoà tan Trước hết, hạt tinh bột sẽ hấp thụ nước làm liên kết ở phân tử tinh bột bị yếu đi, phân tử tinh bột xê dịch, rão ra và trương phồng lên Độ nhớt của dung dịch tăng mạnh đến một mức độ nào đó, hạt tinh bột bị vỡ ra, phân tử tinh bột bị thuỷ phân, hoà tan và độ nhớt của dung dịch giảm, lúc này các phân tử tinh bột phân bố đồng đều trong khối nước tạo thành một hệ thống đồng thể (gọi là hồ tinh bột) Nhiệt độ hồ hoá (nhiệt độ để chuyển hạt tinh bột từ trạng thái đầu có

mức độ hydrat hoá khác nhau thành dung dịch keo) phụ thuộc kích thước hạt tinh bột, vào nguồn tinh bột và vào thành phần amylose/ amylopectin trong tinh bột

Hồ tinh bột có tính chất nhớt dẻo Độ nhớt của hồ tinh bột phụ thuộc nhiều yếu tố: nồng độ tinh bột, đường kính của các hạt phân tán, nhiệt độ, pH khi để nguội

hồ tinh bột một thời gian dài, tinh bột bị thoái hoá kèm theo tách nước và đặc cứng Tính chất thuỷ nhiệt và sự hồ hoá của tinh bột là một đặc tính được quan tâm đến nhiều trong các phản ứng enzyme [33;54]

1.4.2 Tinh bột sắn

*Cấu tạo và tính chất của tinh bột sắn

Tinh bột sắn có đầy đủ về mặt cấu tạo và tính chất của tinh bột nói trên Ngoài ra tinh bột sắn còn có một số đặc điểm sau:

Hàm lượng amylopectin trong tinh bột sắn tương đối cao, chiếm 78 - 80%, amylose chiếm 12 – 18 %

Hạt tinh bột sắn có kích thước 15 - 20 µm, chủ yếu là hình tròn, có bề mặt nhẵn

Tinh bột sắn có màu sáng trắng, có độ pH từ 4,5 đến 6,5

Tinh bột sắn có độ nở, khả năng hồ hoá và độ hoà tan cao Khoảng nhiệt độ

hồ hoá của tinh bột sắn là 58 - 680C, độ nhớt dung dịch bột tăng nhanh và có độ dính cao so với tinh bột từ các nguồn khác Ngoài ra, hồ tinh bột sắn có xu hướng thoái hoá thấp và độ bền gel cao Đây là tính chất quan trọng giúp tinh bột có nhiều ứng dụng trong công nghiệp Xử lý hóa học và vật lý (gia nhiệt, tăng áp suất hơi), pH của môi trường và sự có mặt của các chất như protein, chất béo, chất có hoạt tính bề mặt đều có ảnh hưởng tới độ nhớt của tinh bột sắn [5; 6; 11]

Về mặt cảm quan tinh bột là các hạt rất mịn, màu trắng Để bảo quản tốt, người ta giữ độ ẩm của tinh bột trong khoảng 12-14% nhằm ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật [54]

* Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn

Sắn được trồng phổ biến ở hơn 100 quốc gia trên toàn thế giới Sản lượng sắn toàn cầu trong 5 năm trở lại đây đạt trên 230 triệu tấn/năm Năm 2014 sản lượng sắn toàn cầu ước đạt 291 triệu tấn, tăng 4,6% so với năm 2013 [61; 63]

Việt Nam thuộc nhóm 10 quốc gia có năng suất sắn hàng đầu thế giới [63], bao gồm Ấn Độ, Angola, Ghana, Mozambic, Việt Nam, … Sản lượng sắn hàng năm tại mười quốc gia có sản lượng sắn cao nhất thế giới chiếm tới 75% tổng sản lượng sắn trên toàn thế giới [60]

Tại Việt Nam, sản xuất sắn là nguồn thu nhập quan trọng của các hộ nông dân nghèo do sắn dễ trồng, ít kén đất, ít vốn đầu tư, phù hợp sinh thái và điều kiện kinh tế nông hộ Giai đoạn từ năm 2000-2011, tốc độ tăng trưởng diện tích bình quân hàng năm là 6% và tốc độ tăng trưởng sản lượng bình quân hàng năm đạt 10% Từ năm 2011 đến nay diện tích và sản lượng sắn hàng năm luôn duy trì

ổn định ở mức cao [2] Dưới dây là số liệu diện tích và sản lượng sắn Việt Nam qua các năm:

Hình 1.4 Diện tích và sản lượng sắn qua các năm [2]

Theo số liệu công bố mới nhất của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, diện tích trồng sắn cho đến ngày 15/08/2014 đạt 469,3 nghìn ha, tăng 4,4%

so với cùng kỳ năm trước Tính đến ngày 15/08/2014, diện tích gieo trồng tại các tỉnh miền Nam đạt 322 nghìn ha, tăng 8% so với cùng kỳ năm trước, trong khi diện tích gieo trồng tại các tỉnh miền Bắc giảm 2,6% so với cùng kỳ, đạt khoảng 147,3 nghìn ha Xuất khẩu sắn của Việt Nam trong tháng 7/2014 tăng 4% về lượng so với tháng trước và tăng tới 142,3% so với cùng kỳ năm trước, đạt 243,5 nghìn tấn [59;61] Toàn quốc có trên 60 nhà máy chế biến tinh bột sắn ở qui mô công nghiệp với tổng công suất chế biến mỗi năm đạt hơn nửa triệu tấn tinh bột sắn Cây sắn là cây lương thực quan trọng đứng hàng thứ ba sau lúa và ngô, hiện nay nó được chuyển đổi vai trò từ cây lương thực, thực phẩm thành cây công nghiệp hàng hóa có lợi thế cạnh tranh cao Vì vậy tinh bột sắn là nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền, được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, công nghiệp giấy và công nghiệp dệt [60]

1.4 QUÁ TRÌNH THU HỒI SẢN PHẨM

1.4.1 Quá trình làm sạch dịch bằng than hoạt tính

1.4.1.1 Giới thiệu về than hoạt tính

Các nguyên liệu chứa carbon được sản xuất một cách đặc biệt nhằm loại bỏ các chất có nhựa và tạo ra các lỗ xốp trong chúng gọi là than hoạt tính Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là carbon (85-98%), phần còn lại là chất vô cơ còn tồn tại dưới dạng tro (2-15%) Các chất vô cơ này thường không tham gia hoạt động về mặt hấp phụ Nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính khá phong phú như sọ dừa, gỗ, mạt cưa, các loại xương, các loại cây, than bùn, polime, dầu

mỏ, than đá Than hoạt tính là một trong các vật liệu mao dẫn, được sử dụng rộng rãi công nghiệp hóa chất, khai thác và chế biến dầu mỏ, công nghệ thực phẩm, xử lý môi trường Ngày nay than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học, quân sự, sản xuất và đời sống (than hoạt tính lọc hơi, khí độc, than tẩy màu, than lọc nước ) [8]

Than hoạt tính (Activated Carbon) là loại than được xử lý từ nhiều nguồn vật liệu Những nguyên liệu này được nung nóng từ từ trong môi trường chân không, sau đó được hoạt tính hóa bằng các khí có tính ôxi hóa ở nhiệt độ cực cao Quá trình này tạo nên những lỗ nhỏ li ti có tác dụng hấp thụ và giữ các tạp chất Than hoạt tính lọc nước qua hai quá trình song song:

- Lọc cơ học, giữ lại các hạt cặn bằng những lỗ nhỏ

- Hấp thụ các tạp chất hòa tan trong nước bằng cơ chế hấp thụ bề mặt hoặc trao đổi ion

Than hoạt tính là một chất liệu xốp, có rất nhiều lỗ lớn nhỏ Dưới kính hiển

vi điện tử, một hạt than trông giống như một tổ kiến Vì thế, diện tích tiếp xúc bề mặt của nó rất rộng để hấp thụ tạp chất Nếu tính ra đơn vị khối lượng thì là từ

500 đến 2500 m2/kg (Tùy theo nguyên liệu gốc, tổng diện tích bề mặt của 1/2kg than hoạt tính còn rộng hơn cả một sân bóng đá) [8]

Hình 1.5 Khả năng hấp thụ của than hoạt tính 1.4.1.2 Các dạng than hoạt tính

- Dạng bột cám (Powered – PAC) đây là loại được chế tạo theo công nghệ

cũ, nay thường được sử dụng trong sản xuất pin, ac- quy Có một số nhà sản xuất dùng loại này trộn với keo để đúc thành những ống than nhìn giống như dạng thứ 3 dưới đây

- Dạng hạt (Granulated –GAC) là những hạt than nhỏ, rẻ tiền, thích hợp cho việc khử mùi Tuy nhiên, nước thường có xu hướng chảy xuyên qua những khoảng trống giữa những hạt than thay vì chui qua những lỗ nhỏ

- Dạng khối đặc (Extruded Solid Block _SB) là loại hiệu quả nhất để lọc

cặn, khuẩn Coliform, chì, độc tố, khử màu và khử mùi clorine Loại này được

làm từ nguyên một thỏi than, được ép định dạng dưới áp suất tới 800 tấn nên rất chắc chắn Hiệu quả làm sạch sẽ tùy thuộc chủ yếu vào những yếu tố:

* Tính chất vật lí của than hoạt tính như kết cấu, kích thước, mật độ lỗ, diện tích tiếp xúc

* Tính chất lí hóa của các loại tạp chất cần loại bỏ

* Thời gian tiếp xúc của dịch với than hoạt tính càng lâu, việc hấp thụ càng tốt

Than hoạt tính chỉ có tác dụng với một lượng nước nhất định Sau khi lọc được một khối lượng nước theo chỉ định của nhà sản xuất (chỉ những hãng uy tín mới chỉ định theo tiêu chí này), than sẽ không còn khả năng hấp thụ mùi nữa

Trong sản xuất polymaltose, sử dụng than hoạt tính 1-3% so với tinh bột, nhiệt độ 80ºC, đảo trộn liên tục, thời gian 30 phút để làm sạch dịch polymaltose Than hoạt tính có vai trò là hấp phụ các tạp chất, các chất có màu, có mùi lạ, kết tủa các hợp chất keo, kim loại nặng, làm tăng độ trong và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lọc

1.4.2 Thu hồi sản phẩm polymaltose bằng phương pháp sấy phun

Sấy phun là một trong những công nghệ sấy công nghiệp chính do khả năng sấy một bậc nguyên liệu từ dạng lỏng sang dạng bột khá đơn giản, dễ dàng kiểm soát nhiệt độ và định dạng hạt sản phẩm một cách chính xác Thiết bị sấy phun dùng để sấy các dạng dung dịch và huyền phù trong trạng thái phân tán nhằm tách ẩm ra khỏi vật liệu giúp tăng độ bền và bảo quản sản phẩm

Sấy phun chuyên dùng để sản xuất các sản phẩm dạng bột, ứng dụng trong các ngành hóa mĩ phẩm, dược phẩm, thực phẩm (sữa bột, bột ngọt, trà và cà phê hòa tan, bột trái cây, đường bột,….) Năng suất thiết bị phụ thuộc vào nhà thiết

kế, điện áp sử dụng 220/380V, 3 pha, tốc độ đĩa phun điều khiển vô cấp, nhiệt độ sấy, tốc độ đĩa phun hiển thị bằng màn hình kĩ thuật số và dễ dàng cài đặt, có bộ phận bảo vệ chống mất pha và quá tải, độ ẩm sản phẩm trong khoảng từ 3-7%, hệ

số thu hồi sản phẩm khoảng 80-95% [7]

*Nguyên lí làm việc

Không khí khi đi qua bộ lọc và bộ gia nhiệt được đưa vào bộ phân phối không khí ở trên đỉnh thiết bị, khí nóng được đưa vào buồng sấy đều theo hình xoáy trôn ốc Nguyên liệu ở dạng lỏng từ màng nguyên liệu đi qua bộ lọc được bơm lên bộ phun sương ở đỉnh trên buồng sấy làm nguyên liệu trở thành dạng hạt sương cực nhỏ, khi tiếp xúc với khí nóng, lượng nước có trong nguyên liệu nhanh chóng bay hơi, nguyên liệu dạng lỏng được sấy khô thành sản phẩm trong thời gian cực ngắn Thành phẩm được phần đáy của buồng sấy và bộ phân li gió xoáy đùn ra ngoài, phần khí thừa còn lại được quạt gió hút và đẩy ra ngoài

*Đặc tính

- Tốc độ sấy rất nhanh, phù hợp cho các loại nguyên liệu nhạy nhiệt

- Sản phẩm sau khi sấy có dạng hạt tròn, kích thước đồng đều, độ trơn chảy tốt Sản phẩm có độ tinh khiết và chất lượng cao

- Phạm vi ứng dụng của thiết bị rộng rãi Tùy theo tính chất của nguyên liệu mà có thể ứng dụng nhiệt nóng để sấy hay dùng khí mát để tạo hạt Thiết bị thực sự hoàn hảo cho nhiều loại nguyên liệu khác nhau

- Vận hành máy đơn giản, máy chạy ổn định Máy vận hành tự động hóa cao

1.5 MÔ HÌNH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYMALTOSE TỪ TINH BỘT SẮN [43]

Hình 1.6 Mô hình sơ đồ công nghệ sản xuất polymaltose từ tinh bột sắn

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT

- Than hoạt tính (Trung Quốc)

- Chiết quang kế, Brome kế (Gremany)

- Máy đo pH Thermor Orion – Model 410 (China)

- Máy đo độ nhớt: Viscosimeftre capillaire (Germany)

- Máy đo độ ẩm: Precisa HA60 (Switzerland)

- Máy sắc kí lỏng cao áp HPLC Shimadzu (Japan)

- Máy li tâm (China)

- Máy cô quay Yamato RE400 (Japan)

- Máy sấy phun Yamato Pulvis GB22 (Japan)

- Nồi ổn nhiệt (Germany) và các dụng cụ thí nghiệm thông thường

2.2 PHƯƠNG PHÁP

2.2.1 Phương pháp phân tích

2.2.1.1 Xác định nồng độ chất khô bằng chiết quang kế

Chiết quang kế là một dụng cụ quang học dựa trên sự khúc xạ khác nhau trong môi trường có nồng độ chất tan khác nhau Dịch đem đo cần trong suốt, ở 20ºC để đảm bảo chính xác

Tiến hành đo: Sau khi dịch hóa xong ta lấy một phần dịch đem lọc, làm lạnh tới 20ºC rồi lấy một giọt dịch lọc cho lên bề mặt của chiết quang kế Đậy nắp kính lại, điều chỉnh vít xoáy sao cho đọc rõ kết quả trên chiết quang kế, ta ghi lại kết quả đó chính là nồng độ phần trăm chất khô

2.2.1.4 Xác định độ nhớt của dịch thủy phân

Bằng máy đo độ nhớt Viscosimètre capillaire (Germany)

2.2.1.5 Xác định độ ẩm của tinh bột sắn

Dùng máy sấy hồng ngoại (Precisa Ha 60- Thụy Sỹ)

2.2.1.6 Phương pháp xác định hàm lượng tinh bột

Sử dụng phương pháp Béc-tơ-răng là phương pháp dựa trên tính chất tinh bột bị phân hủy bởi axit HCl thành đường glucose Trong điều kiện này, dextrin cũng bị axit thủy phân thành glucose Dung dịch sau khi thủy phân được xác định tổng lượng đường glucose theo phương pháp Béc-tơ-răng rồi trừ đi lượng đường glucose và dextrin

Cách tiến hành: Cân 2 g mẫu cho vào bình nón dung tích 250 ml, thêm

vào 10 ml nước cất, 5 ml axit HCl 2% Đậy bằng nút cao su có gắn thủy tinh dài (ống sinh hàn) lắc nhẹ và đem đun nóng trong nồi cách thủy ở 100ºC trong 3 giờ liền, kể từ lúc bắt đầu sôi Thủy phân xong hoàn toàn ra làm nguội tới nhiệt độ phòng rồi cho vào 4-5 giọt metyl da cam và dùng NaOH đặc trung hòa tới đổi màu Trung hòa xong ta chuyển toàn bộ dung dịch vào bình định mức 250 ml rồi thêm nước cất tới ngấn bình và đem lọc Sau đó ta có thể dùng một trong những phương pháp xác định đường về định lượng glucose chứa trong dung dịch pha loãng và suy ra hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu Dùng pipet hút 20 ml dung dịch ferixyanua kali cho vào bình nón dung tích 250 ml Thêm 5 ml KOH 2,5 N

và 2 giọt xanh metylen 0,5% rồi lắc đều, đặt trên bếp 1,2 phút thì sôi Dung dịch lọc xong đem ra chuẩn tới khi mất màu xanh metylen

Cách tính kết quả:

Hàm lượng đường glucose được tính theo công thức:

Trong đó: X - là hàm lượng đường glucose cần tìm

m - là số ml dịch đường tiêu hao khi chuẩn 20 ml dịch ferixyanua kali

Hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu tính theo công thức:

Trong đó:

a: Số gam glucose tương ứng 20 ml dung dịch ferixyanua kali

b: Số ml dịch đường loãng tiêu hao khi định phân

m: Số gam bột thủy phân

0,9: Hệ số chuyển glucose thành tinh bột

2.2.1.7 Xác định DE theo phương pháp phân tích Lane- Eynon

Định nghĩa: DE là số đương lượng đường khử quy ra glucose được tạo

thành trong quá trình thủy phân tinh bột tính theo phần trăm chất khô

Mục đích: Trong quá trình thủy phân tinh bột, việc xác định giá trị DE

cho biết mức độ thủy phân tinh bột thành đường khử

Cơ sở phương pháp: Glucose, maltose và các dextrin là các loại đường

khử vì trong phân tử có nhóm aldehyt Trong môi trường kiềm yếu đường khử dễ dàng khử ion Cu2+ thành Cu+ dưới dạng kết tủa CuO có màu đỏ nâu Để xác định

DE, sử dụng dung dịch Fehling A có chứa Cu2+ và dung dịch Fehling B có chứa natri kalitatrat (KNaC4H4O6) trong môi trường kiềm yếu Vì thời gian phản ứng diễn ra nhanh chóng (khoảng 2 phút) nên dung dịch vẫn còn dư Cu2+ Hiện tượng này có thể quan sát thấy nhờ khả năng tạo phức không màu của xanh metylen với dung dịch đường khử khi hết Cu2+ Cụ thể là thêm hai ba giọt xanh metylen vào dung dịch phản ứng, khi vừa hết Cu2+ , đường khử sẽ tạo thành phức không màu với xanh metylen làm cho màu của dung dịch từ màu xanh của metylen chuyển thành màu trắng Căn cứ vào đó kết thúc quá trình phản ứng

Dựa vào số ml dung dịch đường khử tiêu hao đem tra bảng Eymon-Lane

sẽ tính được đương lượng đường khử qui ra glucose cần xác định Lượng đường khử tính theo glucose được tính theo phần trăm chất khô gọi là DE

Hóa chất:

- Dung dịch Fehling A: CuSO4.5H2O

- Dung dịch Fehling B: KNaCH O , NaOH

- Chỉ thị xanh metylen tinh thể

Cách tiến hành: Dung dịch đường được pha loãng sao cho sau khi pha

loãng có nồng độ đường khử phù hợp Trong khi tiến hành thường hút 0.01% dịch đường đinh mức 100 ml

Dịch đường đã chuẩn bị ở trên cho vào buret 50 ml Chuẩn bị ba bình tam giác 250 ml, hút vào mỗi bình 5 ml Fehling A và 5ml Fehling B Sau đó cho vào bình 15-20 ml dịch Đun hỗn hợp cho đến khi sôi Sau khi sôi 2-3 phút cho 2-3 giọt xanh metylen vào và tiếp tục định phân bằng dung dịch đường đã pha loãng đến khi mất màu chỉ thị chuyển sang màu đỏ nâu Kết thúc quá trình định phân ta ghi lượng đường đã định phân được Định phân 3 lần và lấy kết quả trung bình Căn cứ theo lượng dịch tiêu hao ta tra bảng Eynon-Lane để tính DE

Cách tính kết quả: Ta xác định một số yếu tố:

- Xác định nồng độ chất khô bằng chiết quang kế

- Xác định pH bằng máy đo pH

- Xác định nồng độ bột bằng brome kế

Sau đó tính DE theo công thức :

Trong đó: A: Lượng đường khử tra bảng Lane-Eynon

B: Tỷ lệ pha loãng Bx: Nồng độ % chất khô

2.2.1.8 Xác định một số đường glucose, maltose, maltotriase bằng phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC)

Thông số kỹ thuật chạy máy:

- Pha động: ACN/H2O : 75/25

- Cột: GL NH2 Japan

- Nhiệt độ cột: 40oC