TIỂU LUẬN quy trình sản xuất maltose từ tinh bột khoai mì

6TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU 1. Tinh bột Tinh bột là nguồn dự trữ của thực vật, do cây xanh quang hợp tạo nên, có nhiều trong loại trong loại lương thực như hạt, củ, quả…hình dáng kích thước, mức dộ tinh thể hóa của hạt tinh bột, cũng như thành phần hóa học và tính chất của tinh bột phụ thuộc nhiều vào giống cây, điều kiện trồng trọt, quá trình trưởng thành của cây…tinh bột là nguồn cung cấp năng lương cho con người. Ngoài ra tinh bột và các sản phẩm của chúng có vai trò quan trong đến nhiều ngành như công nhiệp, dệt, giấy…Hiện nay trên thế giới 90% tinh bột và tinh bột biến tinh được thu nhận từ bắp, khoai mì, lúa mì. Tinh bột là hỗn hợp của hai loại glucan là amylose và amylopectin. Hầu như các loại tinh bột đều chứa từ 2030% amylose còn lại là hàm lương amylopectin. Tuy nhiên một số giống bắp mới có thể chứa từ 50% đến 80% amylose. 1.1. Thành phần amylose và amylopectin  Amylose (Am) • Amylose là một polymer có cấu trúc mạch thẳng, cấu tạo từ gốc αDglucopyranosyl liên kết với nhau bằng liên kết α1,4glycoside. Trong cấu trúc của amylose còn có liên kết α1,6glycoside nhưng với hàm lượng rất nhỏ vào khoảng 0.30.5% Hình 1: Cấu tạo mạch amylose trong phân tử tinh bột • Mức độ polymer hóa thay đổi tùy theo nguồn tinh bột, như đối với lúa mì là 10002000, đối với khoai tây là 4500. • Phân tử lượng của amylose vào khoảng 150750 kDa. • Amylose tồn tại ở dạng xoắn kép. Ngoài ra trong cấu trúc mạch amylose còn chứa một lượng lipid rất nhỏ vào khoảng 0.51% và một ít hợp chất của Phospho và Nitơ. Trong đó Phospho thường ở dạng phospholipid, còn Nitơ tham gia vào cấu trúc của enzyme.  Amylopectin: (Ap) • Amylopectin là một polymer có cấu trúc mạch nhánh, cấu tạo từ các gốc αDglucopyranosyl liên kết với nhau bằng liên kết α1,4glycoside và α1,6glycoside (khoảng 5% tổng số liên kết). • Trung bình, mỗi nhánh của amylopectin chứa khoảng 1530 gốc glucose.

6TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

1 Tinh bột

Tinh bột là nguồn dự trữ của thực vật, do cây xanh quang hợp tạo nên, có nhiều trong loại trong loại lương thực như hạt, củ, quả…hình dáng kích thước, mức dộ tinh thể hóa của hạt tinh bột, cũng như thành phần hóa học và tính chất của tinh bột phụ thuộc nhiều vào giống cây, điều kiện trồng trọt, quá trình trưởng thành của cây…tinh bột là nguồn cung cấp năng lương cho con người Ngoài ra tinh bột và các sản phẩm của chúng có vaitrò quan trong đến nhiều ngành như công nhiệp, dệt, giấy…Hiện nay trên thế giới 90% tinh bột và tinh bột biến tinh được thu nhận từ bắp, khoai mì, lúa mì

Tinh bột là hỗn hợp của hai loại glucan là amylose và amylopectin Hầu như các loại tinh bột đều chứa từ 30% amylose còn lại là hàm lương amylopectin Tuy nhiên một số giống bắp mới có thể chứa từ 50% đến 80% amylose

20-1.1 Thành phần amylose và amylopectin

 Amylose (Am)

 Amylose là một polymer có cấu trúc mạch thẳng, cấu tạo từ gốc α-D-glucopyranosyl liên kết với nhaubằng liên kết α-1,4-glycoside Trong cấu trúc của amylose còn có liên kết α-1,6-glycoside nhưng với hàmlượng rất nhỏ vào khoảng 0.3-0.5%

Hình 1: Cấu tạo mạch amylose trong phân tử tinh bột

 Mức độ polymer hóa thay đổi tùy theo nguồn tinh bột, như đối với lúa mì là 1000-2000, đối với khoaitây là 4500

 Phân tử lượng của amylose vào khoảng 150-750 kDa

 Amylose tồn tại ở dạng xoắn kép

Ngoài ra trong cấu trúc mạch amylose còn chứa một lượng lipid rất nhỏ vào khoảng 0.5-1% và một ít hợp chất của Phospho và Nitơ Trong đó Phospho thường ở dạng phospholipid, còn Nitơ tham gia vào cấu trúc của enzyme

 Amylopectin: (Ap)

 Amylopectin là một polymer có cấu trúc mạch nhánh, cấu tạo từ các gốc α-D-glucopyranosyl liên kếtvới nhau bằng liên kết α-1,4-glycoside và α-1,6-glycoside (khoảng 5% tổng số liên kết).

 Trung bình, mỗi nhánh của amylopectin chứa khoảng 15-30 gốc glucose

Hình 2: Cấu trúc mạch amylopectin trong phân tử tinh bột

 Mức độ polymer hóa của phân tử amylopectin là khá cao, khoảng vài triệu Phân tử lượng củaamylopectin vào khoảng 104-7.105 kDa

 Ngoài ra, trong phân tử còn chứa gốc acid phosphoric

 Phân tử amylopectin có cấu trúc xoắn kép và xếp song song nhau

1.2 Cấu trúc tinh thể của tinh bột

Hạt tinh bột có dạng hình tròn, bầu dục, hoặc đa giác Các hạt tinh bột có hình dáng kích thước khônggiống nhau nên những tính chất cơ lý khác nhau như nhiệt độ hồ hóa…Hạt nhỏ có cấu tạo chặt, còn hạtlớn thường có cấu trúc xốp hơn

 Cấu trúc tinh thể

Tinh thể có bản chất bán tinh thể với nhiều mức độ tinh thể hóa khác nhau, thường từ 15-45% khi ởdạng hạt Amylose có khả năng tạo các chuỗi xoắn kép và có vai trò trong việc tạo cấu trúc tinh thể chotinh bột Tuy nhiên, một số nghiên cứu mới đây cho rằng, khả năng tạo cấu trúc tinh thể của tinh bộtliên quan chủ yếu tới thành phần amylopectin, tinh bột không chứa amylose có một mức độ tinh thểhóa không thay đổi

Trong lớp tinh thể, các đoạn mạch của amylopectin liên kết với nhau thành sợi xoắn kép, xếp thànhdãy và tạo thành chùm trong khi phần mạch nhánh nằm trong các lớp vô định hình Ước tính cókhoảng 80% các phân tử amylopectin nằm trong cấu trúc chùm và khoảng 10-20% các phân tửamylopectin tham gia liên kết giữa các chùm với nhau Amylose, ngoài tham gia (với tỉ lệ thấp) vào

Page 28

việc tạo nên các chuỗi xoắn kép, còn xuất hiện trong cấu trúc tinh thể của tinh bột dưới tác dụng vủalipit (xoắn helix dạng V).

Hình 3: Cấu trúc vùng kết tinh và vùng vô định hình

Các tinh thể và vô định hình của phân tử amylopectin tập hợp thành một cấu trúc hình cầu Các hìnhcầu này kích thước lớn (50-500nm) tạo ra các lớp tinh thể cứng còn các hạt cầu kích thước nhỏ (20-50nm) tạo ra những lớp bán tinh thể trong cấu trúc hạt tinh bột với chiều dày khoảng vài trăm nm

1.3 Một số tính chất chức năng của tinh bột

 Độ tan của tinh bột

Amiloza mới tách từ tinh bột có độ tan cao hơn song không bền nên nhanh chóng bị thoái hóa trở nênkhông hòa tan trong nước Amilopectin khó tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ tan trong nước nóng.Tinh bột bị kết tủa trong cồn, vì vậy cồn là một tác nhân tốt để tăng hiệu quả thu hồi tinh bột

 Quá trình trương nở

Khi hòa tan tinh bột vào nước, đầu tiên các phân tử nước sẽ thâm nhập vào giữa các phân tử tinh bột cókích thước lớn và tương tác với các nhóm hoạt động của tinh bột, tạo ra lớp vỏ nước và làm cho mắt xíchnào đó của phân tử tinh bột bị yếu đi Kết quả, phân tử tinh bột bị xê dịch, “ rão” ra rồi trương lên Quátrình trương xảy ra không hạn chế sẽ làm bung ra các phân tử tinh bột và hệ chuyển thành dạng dung dịch.Qua trình trương luôn luôn đến trước quá trình hòa tan và đây là một quá trình phụ thuộc vào điều kiệnnhiệt độ bên ngoài

 Tính chất hồ hóa của tinh bột

Nhiệt độ để phá vỡ hạt chuyển tinh bột từ trạng thái đầu có mức độ oxi hóa khác nhau thành dung dịchkeo gọi là nhiệt độ hồ hóa Phần lớn tinh bột bị hồ hóa khi nấu và trạng thái trương nở được sử dụng nhiềuhơn ở trạng thái tự nhiên Các biến đổi hóa lí khi hồ hóa như sau: hạt tinh bột trương lên, tăng độ trongsuốt và độ nhớt, các phân tử mạch thẳng và nhỏ thì hòa tan và sau đó tự liên hợp với nhau để tạo thànhgel Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm mà là một khoảng nhiệt độ nhất định Tùy điều kiện hồ hóanhư nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kich thước hạt và pH mà nhiệt độ phá vỡ và trương nở của tinh bột biếnđổi một cách rộng lớn.

Bảng 1: Nhiệt độ hồ hóa của một số tinh bột

 Độ nhớt của hồ tinh bột

Một trong những tính chất quan trọng của tinh bột có ảnh hưởng đến chất lượng và kết cấu của nhiềusản phẩm thực phẩm đó là độ nhớt và độ dẻo Phân tử tinh bột có nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liênkết được với nhau làm cho phân tử tinh bột tập hợp lại, giữ nhiều nước hơn khiến cho dung dịch có độđặc, độ dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn Yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch tinh bột làđường kính biểu kiến của các phân tử hoặc của các hạt phân tán, đặc tính bên trong của tinh bột như kíchthước, thể tích, cấu trúc, và sự bất đối xứng của phân tử Nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, tác nhân oxi hóa,các thuốc thử phá hủy liên kết hydro đều làm cho tương tác của các phân tử tinh bột thay đổi do đó làmthay đổi độ nhớt của dung dịch tinh bột

 Khả năng tạo gel và sự thoái hóa gel

Tinh bột sau khi hồ hóa và để nguội, các phân tử sẽ tương tác nhau và xắp xếp lại một cách có trật tự

để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng 3 chiều Để tạo được gel thì dung dịch tinh bột phải có nồng độđậm đặc vừa phải, phải được hồ hóa để chuyển tinh bột thành trạng thái hòa tan và sau đó được để nguội ở

Page 48

trạng thái yên tĩnh Trong gel tinh bột chỉ có các liên kết hydro tham gia, có thể nối trực tiếp các mạchpolyglucozit hoặc gián tiếp qua phân tử nước Khi gel tinh bột để nguội một thời gian dài sẽ co lại vàlượng dịch thể sẽ thoát ra, gọi là sự thoái hóa Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ở lạnh đông rồisau đó cho tan giá.

1.4 Tinh bột sắn

Sắn (Manihot Esculenta Crantz) là một trong những loại cây hoa màu được trồng ở hơn 80 quốc gia cókhí hậu nhiệt đới ẩm.Ở các nước nhiệt đới tinh bột sắn hầu hết được sản xuất ra sử dụng làm thức ăn chongười, gia súc và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác

Các giống sắn chuyên để sản xuất tinh bột được lai tạo có hàm lượng tinh bột cao trung bình 27 – 28%

Hạt tinh bột sắn có kích thước nhỏ, từ 5 -35 µm Tỷ lệ amylose và amylopecti là 17/83 Nhiệt độ hồ hóa dao động trong khoảng từ 52 – 64 0C

Tinh bột sắn có những tính chất tương tự như các loại tinh bột có chứa nhiều amylopectin như độ nhớt cao,

xu hướng thoái hoá thấp và có độ bền gel cao Hàm lượng amylopectin và amylose trong tinh bột sắn có liên

quan đến độ dính của củ nấu chín và nhiều tính chất trong các ứng dụng công nghiệp

Tiêu chuẩn chất lượng tinh bột sắn dùng trong coongh nghiệp thực phẩm được trình bày trong bảng sau:

Chỉ tiêu chất lượng Tiêu chuẩn TCVN - 1985

 Những tiêu chuẩn chung:

 An toàn và phù hợp cho người sử dụng

 Không có mùi vị khác thường và côn trùng gây hại

 Không bị nhiễm bẩn

 Chỉ tiêu sinh học:

 Vi sinh vật gây bệnh: không có

 Côn trùng gây hại: không có

Hai enzyme để thủy phân tinh bột thường được sử dụng là: α-amylase và β-amylase

2.1 α-amylase: (1,4-α-D-glucan Glucanohydrolase EC 3.2.1.1)

Đây là một endoenzyme, xúc tác thủy phân liên kết α-1,4-glycoside ở giữa mạch trong phân tử amylose vàamylopectin tạo sản phẩm chính là dextrin α-amylase được tìm thấy trong cơ thể thực, động vật và tế bào visinh vật

Mục đích sử dụng α-amylase là giảm độ nhớt của khối hồ tinh bột Phân tử lượng của enzyme nằm trongkhoảng 45-60 kDa tùy theo nguồn thu nhận

 Đặc tính:

Tất cả các α-amylase thu được từ các nguồn khác nhau đều là metalloenzyme Người ta tìm thấy ion Calcitrong phân tử enzyme này với hàm lượng từ 1 ÷ 30g Nguyên tử/1g.mol enzyme Nếu chúng ta tách toàn bộ

Ca2+ ra khỏi α-amylase thì enzyme bị vô hoạt

Do đó, trong quá trình thủy phân tinh bột, người ta thường bổ sung ion Calci vào để ổn định hoạt tính củaenzyme

Ở nhiệt độ cao, hoạt tính của enzyme α-amylase được duy trì nhờ ion Calci Tuy nhiên, đối với α-amylase

bền nhiệt thu được từ vi khuẩn Bacilluss licheniformis, nhu cầu về ion Ca2+ ở mức tương đối thấp

Điều kiện hoạt động của enzyme này từ các nguồn khác nhau thì không giống nhau

 Chọn chế phẩm α-amylase

Page 68

Trong quá trình thủy phân, giai đoạn hồ hóa và dịch hóa tinh bột diễn ra ở nhiệt độ cao.

Nên chọn chế phẩm α-amylase chịu nhiệt từ Bacillus licheniformic.

Bảng 2: Đặc tính của α-amylase Bacillus licheniformic

Hoạt tính enzyme sau 6h ở 700C, nồng độ Ca2+: 5µg/ml, không có cơ chất (%

so với hoạt tính ban đầu)

100

 Ưu điểm của chế phẩm trên là có nhiệt độ xúc tác cao nên enzyme có thể hoạt động đượctrong giai đoạn hồ hóa và dịch hóa tinh bột, góp phần phá hủy cấu trúc hạt và giảm độ nhớt khối hồ tinh bột Các biến đổi này sẽ giúp cho sự đường hóa tinh bột diễn ra nhanh và triệt để hơn Sản phẩm thủy phân làcác dextrin có mức polymer hóa DP = 10 – 12 hoặc cao hơn

Khi sử dụng chế phẩm này cần bổ sung calcium vào huyền phù tinh bột để ổn định hoạt tính enzyme trongsuốt quá trình thủy phân

2.2 β-amylase: (1,4-α-glucan-maltohydrolase) (EC 3.2.1.2)

 Đặc tính

Là một exoenzyme Nó xúc tác phản ứng thủy phân liên kết α- 1,4 glycoside từ đầu không khử của mạch phân

tử amylose và amylopectin để tạo ra sản phẩm là maltose Khi phản ứng kết thúc người ta tìm thấy hai thànhphần chính trong dịch thủy phân là maltose và β-dextrin

 β-amylase hầu như không thủy phân các hạt phân tử tinh bột nguyên vẹn nhưng nó phân hủy hồ tinhbột rất mạnh

 β-amylase phân giải 100 % amylose thành maltose β-amylase phân giải 54-58 % amylopectin thànhmaltose

 β-amylase bền acid nhưng chịu nhiệt kém hơn α-amylase

Các enzym β-amylase có pH tối ưu nằm trong khoảng 5-6 và nhiệt độ tối ưu khoảng 50 0C Tuy nhiên các amylase vi khuẩn thường có tính bền nhiệt hơn so với β-amylase có nguồn gốc thực vật

β- Chọn chế phẩm β-amylase

Sử dụng β-amylase từ Bacillus polymyxa N3 trong giai đoạn đường hóa.

Bảng 3: Đặc điểm của dụng β-amylase từ Bacillus polymyxa N3

1 mg đương lượng = 20.04 mg Ca2+ hoặc 12.16 mg Mg2+/l

 Độ oxy hóa thể hiện bằng số mg O2/l

 Chỉ số vi sinh vật cho biết mức độ nhiễm bẩn của nước, được thể hiện bằng tổng số vi sinh vật và

lượng vi khuẩn đường ruột có trong một lít nước mà tiêu biểu là vi khuẩn E.coli

 Nước dùng trong chế biến phải đạt tiêu chuẩn làm nước uống và không có mùi vị, không màu, trongsuốt và đặc biệt là không có sắt và mùi amoniac, không có các kim loại nặng

 Nước phải đạt chỉ tiêu sau đây mới được dùng trong quá trình chế biến:

 Độ cứng chung (mg – đương lượng) ≤ 7

 Hàm lượng muối carbonate ≤ 50 mg/l

 Hàm lượng muối Mg ≤ 100 mg/l

 Hàm lượng muối clorua: 75 – 150 mg/l

 Hàm lượng muối CaSO4: 130 – 200 mg/l

Để các chế phẩm enzyme xúc tác phản ứng thủy phân tinh bột đạt hiệu quả cao, cần hiệu chỉnh pH dungdịch cơ chất về giá trị tối thích của enzyme Chất chỉnh Ph thông dụng là HCl 0,1N và NaOH 0,1N.

5 Các nguyên liệu phụ khác

 CaCl2 : được dùng để ổn định hoạt tính α-amylase

 Than hoạt tính : được sử dụng để tinh sạch dung dịch đường sau khi quá trình thủy phân, cải thiện độ

màu của sản phẩm Than hoạt tính là một nhóm vật liệu carbon ở trạng thái vô định hình và có độ xốptương đối cao Bề mặt riêng của than hoạt tính có thể dao động trong khoảng 500-1500m2/g

 Bột trợ lọc diatomite : được dùng hỗ trợ cho quá trình lọc

Dạng bột màu trắng hoặc trắng nhạt, có cấu trúc rỗng, xốp Khi nó ở dạng bột sờ vào sẽ có cảm giáctrầy da, bột diatomite rất sáng Thành phần chủ yếu của diatomite là SiO2 86%, Na 5%, Mg 3% và Fe2%

Tinh bột

Chế phẩm α-amylase

Chất chỉnh pH CaCl2

bột

Hồ hóa và dịch hóa

Xử lý than hoạt tính Đường hóa

Lọc

Cô đặc chân không Trao đổi ion

Rót sản phẩm Làm nguội

II GIẢI THÍCH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

1 Quy trình công nghệ 1

1.1 Chuẩn bị huyền phù tinh bột

 Mục đích công nghệ: chuẩn bị cho quá trình hồ hóa, dịch hóa và đường hóa tinh bột.

 Các biến đổi của nguyên liệu:

 Vật lý: khi cho tinh bột vào nước, các hạt tinh bột không tan trong nước được Tuy nhiên, một số phân

tử nước sẽ khuếch tán vào bên trong cấu trúc của hạt tinh bột làm thể tích hạt tăng lên

 Hóa lý: tinh bột hấp phụ một phần nước thể tích của nó sẽ tăng lên Tuy nhiên, sự thay đổi này sẽ

không đáng kể nếu quá trình chuẩn bị huyền phù tinh bột được thực hiện ở nhiệt độ phòng

 Thiết bị, nguyên tắc hoạt động và thông số công nghệ

 Sử dụng thiết bị có dạng hình trụ đứng, bên trong có cánh khuấy được kết nối với một motor có năngsuất lớn

 Tinh bột và nước được phối trộn theo tỉ lệ khối lượng là 1:3 Trước tiên cho nước vào thiết bị phối trộntrước, sau đó mở cánh khuấy hoạt động rồi mới đổ tinh bột từ từ vào thiết bị Cuối cùng bổ sung chất chỉnh

pH để đưa giá trị pH của hỗn hợp về giá trị tối thích để α-amylase xúc tác, đồng thời bổ sung Ca2+ với hàmlượng 100ppm để ổn định hoạt tính α-amylase

- Tốc độ quay của cánh khuấy : 1,5-2 vòng/giây

1.2 Hồ hóa và dịch hóa

Hình 5: quá trình thủy phân tinh bột

 Mục đích: chuẩn bị cho quá trình đường hóa tiếp theo.

 Biến đổi của nguyên liệu:

 Vật lý: nhiệt độ tăng, kích thước và thể tích hạt tinh bột tăng lên do các phân tử nước khuếch tán vào

bên trong cấu trúc các hạt tinh bột, giúp nó trương nở đến cực đại, thể tích tăng và độ nhớt tăng cao Độnhớt của khối cháo sẽ gia tăng trong giai đoạn hồ hóa và giảm xuống trong giai đoạn dịch hóa

 Hóa lý: khi tăng nhiệt độ trong giai đoanh hồ hóa, mức độ hấp phụ nước của các hạt tinh bột sẽ tăng

theo Huyền phù tinh bột sẽ chuyển sang dạng khối paste khi kết thúc giai đoạn hồ hóa Trong giai đoạndịch hóa, khối cháo sẽ hóa lỏng

 Hóa sinh: xảy ra phản ứng thủy phân một phần tinh bột tạo thành các dextrin nhờ anzyme α-amyalse.

Trong giai đoạn dịch hóa enzyme α-amylase vô hoạt hoàn toàn

 Sinh học: toàn bộ vi sinh vật trong huyền phù tinh bột bị tiêu diệt hầu như hoàn toàn do nhiệt độ cao.

 Thiết bị, phương pháp thực hiện và thông số công nghệ:

Ở đây dùng phương pháp bổ sung enzyme hai lần kết hợp với áp suất cao để dịch hóa tinh bột: giữa hailần xử lý enzyme, người ta sẽ thực hiện quá trình dịch hóa tinh bột ở nhiệt độ cao là 145 ÷ 1500C

Khi đó ta dùng ba thiết bị:

Page 128

- Một thiết bị hình trụ đứng, bên trong có cánh khuấy, bên ngoài có lớp vỏ áo gia nhiệt và giữ nhiệt thiết

bị này hoạt động ở áp suất thường và được dùng để xử lý huyền phù tinh bột với chế phẩm α-amylase

Hình 6:Thiết bị xử lý huyền phù tinh bột

- Một thiết bị hình trụ đứng, đáy nón, bên trong có cánh khuấy hoạt động ở áp suất cao( thiết bị Henzecooker) Người ta sẽ cho hơi trực tiếp vào bên trong thiết bị để gia nhiệt nguyên liệu Đây là thiết bị dùng

để dịch hóa tinh bột

Hình 7: Henze cooker

- Một thiết bị làm nguội dạng ống lồng ống