CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HFCS

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
ỨNG DỤNG CNSH TRONG CNTP
ĐỀ TÀI:
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HFCS
GVHD: NGUYỄN THỊ THU SANG
NHÓM:14
ĐOÀN THỊ ÁNH HỒNG: 2006120001
PHẠM THỊ THỦY TIÊN: 
NGUYỄ THỊ HOÀNG OANG: 
ĐỖ VĂN RIN:
Công nghệ sản xuất HFCS
TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2015
Mục lục
Nhóm 14 2
Công nghệ sản xuất HFCS
LỜI MỞ ĐẦU
Người ta cho thêm đường vào hầu hết các loại thực phẩm để làm tăng hương vị
của chúng. Nhưng người tiêu dùng đang ngày càng tẩy chay đường do tác hại của nó
đối với những căn bệnh như béo phì, tiểu đường,… nên những nhà sản xuất thực
phẩm đã tìm cách khác để đưa đường vào thực phẩm. Một trong những cách đó là họ
tạo ra một loại phụ gia tên là Siro bắp với hàm lượng fructose cao – high fructose
corn syrup (HFCS) – và giới thiệu rằng loại phụ gia này hoàn toàn tự nhiên và cũng
có tác dụng làm ngọt như đường. Công dụng, tác hại như thế nào và sản xuất HFCS
ra sao,bài tiểu luận “ Công nghệ sản xuất HFCS” sẽ làm rõ phần nào đó.
Nhóm 14 3
Công nghệ sản xuất HFCS
1. TỒNG QUAN
1.1. High fructose corn syrup (HFCS)
1.1.1. High fructose corn syrup (HFCS)

HFCS được gọi là isoglucose ở Anh và glucose-fructose ở Canada, và lần đầu
tiên được giới thiệu cho ngành công nghiệp thực phẩm và nước giải khát trong cuối
những năm 1960 (HFCS-42 vào năm 1967) và 1970 (HFCS-55 năm 1977) để cải thiện
sự ổn định và chức năng khác nhau của thực phẩm và đồ uống. Chất làm ngọt
Carbohydrate được sử dụng bởi vì nó tăng cường hương vị các loại thực phẩm khác
nhau. Nó chủ yếu là monosaccharides như glucose, fructose, galactose và
disaccharides như sucrose, lactose, maltose. Người ta tìm kiếm chất ngọt thay thế
succrose và không nhiều calo để đảm bảo sức khỏe cho bệnh nhân tiểu đường, đồng
thời kiểm soát cân nặng. Để sản xuất của HFCS tương đối ít kinh phí đã làm cho nó có
thể trở thành một giải pháp thay thế hữu hiệu đối với sucrose và đường tự nhiên khác.
Hiện chủ yếu người ta sản xuất hỗn hợp glucose (52%) và fructose (42%) từ tinh
bột ngô với sản lượng hàng năm khoảng 10 triệu tấn sirô fructose HFCS (high-fructose
corn syrup). Điều này càng trở nên thuận tiện hơn khi sử dụng glucose isomerase cố
định sử dụng được nhiều lần.
Marshall và Kooi (1957) đã phát triển quy trình sản xuất high fructose corn syrup
(HFCS). Ba loại HFCS được sử dụng phổ biến: HFCS-90 (90% fructose và glucose
10%) được sử dụng trong các ứng dụng chuyên biệt, nhưng quan trọng hơn hỗn hợp
glucose syrup: HFCS-42 (42% fructose và glucose 58%) và HFCS-55 (55% fructose
và glucose 45%).
1.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng high fructose corn syrup
HFCS được sản xuất chủ yếu từ ngô. Ngô được ngâm để làm mềm hạt cứng, tiếp
theo xay ướt và tách thành tinh bột ngô (từ nội nhũ); vỏ ngô, protein và dầu (từ mầm).
Nhóm 14 4
Công nghệ sản xuất HFCS
Tinh bột ngô bao gồm các phân tử đường dài, bao gồm amylose và amylopectin và cần
gia nhiệt hoặc thêm HCl cộng với hoạt động của ba loại enzyme khác nhau để phá vỡ
nó thành đường glucose đơn giản và đường fructose trong HFCS. Một loại enzyme
công nghiệp α-amylase sản xuất từ vi khuẩn Bacillus spp, thủy phân tinh bột ngô thành
chuỗi ngắn dextrin và oligosaccharides. Một loại enzym thứ hai, glucoamylase (còn
gọi là amyloglucosidase), được sản xuất từ nấm như Apergillus, phá vỡ dextrin và

oligosaccharides thành đường đơn glucose. Các sản phẩm của hai loại enzyme là
glucose syrup. Enzyme thứ ba và tương đối đắt tiền được sử dụng trong quá trình này
là glucose isomerase (còn gọi là D-glucose ketoisomerase ketolisomerase D-xylose),
có thể chuyển đổi giữa glucose với fructose. Α-amylase và glucoamylase được sử dụng
chỉ một lần, glucose isomerase được tái sử dụng cho đến khi nó mất đi hầu hết các
hoạt động enzyme của nó. α-amylase và glucoamylase được sử dụng tạo ra HFCS đã
được biến đổi để cải thiện sự ổn định nhiệt trong việc sản xuất HFCS
Sau khi tinh sạch và loại bỏ tạp chất, HFCS-90 được trộn với glucose syrup để
sản xuất HFCS-55 (55% fructose) và HFCS-42 (42% fructose). Cả hai HFCS-55 và
HFCS-42 có nhiều ưu điểm về chức năng giống nhau, nhưng mỗi loại có đặt tính đăc
biệt làm cho nó phù hợp với các loại thực phẩm cụ thể.Vì hàm lượng fructose cao,
HFCS-55 ngọt hơn đường sucrose và do đó được sử dụng rộng rãi như là chất tạo ngọt
trong nước trái cây, và các đồ uống có gas. HFCS-42 có một vị ngọt nhẹ và không làm
ẩn đi những hương vị tự nhiên của thực phẩm.Vì vậy, nó được sử dụng rộng rãi trong
trái cây đóng hộp, nước sốt, súp, gia vị, bánh nướng, và nhiều loại thực phẩm chế biến
khác. Nó cũng được sử dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp sữa như sữa chua, sữa
hương vị, kem, và món tráng miệng đông lạnh khác.Việc sử dụng HFCS đã tăng lên kể
từ khi được giới thiệu như là một chất làm ngọt.
HFCS tương đối rẻ, ngọt hơn succose, hòa tan trong dung dịch tốt. HFCS là chất
lỏng và do đó dễ dàng vận chuyển và sử dụng trong các công thức đồ uống nhẹ
(Hanover và White, 1993).Nó cũng có tính axit , có khả năng bảo quản nên làm giảm
việc sử dụng các chất bảo quản khác.
Nhóm 14 5
Công nghệ sản xuất HFCS
1.2. Glusose isomerase
1.2.1. Định nghĩa enzyme
a. Định nghĩa:
Trong cơ thể sống (các tế bào) luôn luôn xảy ra quá trình trao đổi chất. Sự trao
đổi chất mà ngừng lại thì sự sống sẽ không còn tồn tại. Quá trình trao đổi của một chất
là tập hợp của rất nhiều các phản ứng hóa học phức tạp. Enzyme là hợp chất protein

xúc tác cho các phản ứng hóa học đó. Chúng có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản
ứng hóa học nhất định và đảm bảo cho các phản ứng xảy ra theo một chiều hướng nhất
định với tốc độ nhịp nhàng trong cơ thể sống.
Enzyme có trong hầu hết các loại tế bào của cơ thể sống. Chính do những tác
nhân xúc tác có nguồn gốc sinh học nên enzyme còn được gọi là các chất xúc tác sinh
học (biocatalysators) nhằm phân biệt với các chất xúc tác hóa học.
Chúng là chất xúc tác sinh học không chỉ có vai trò quan trọng trong quá trình
sinh trưởng, phát triển của mọi sinh vật mà nó còn giữ vai trò rất quan trọng trong các
lĩnh vực khác như: công nghệ chế biến thực phẩm, trong kỹ thuật phân tích, trong công
nghệ gen vào bảo vệ môi trường, đặc biệt là trong y học với ứng dụng sản xuất dược
phẩm.
b. Cơ chế xúc tác enzyme:
Cơ chế xúc tác enzyme thường trải qua ba giai đoạn theo sơ đồ sau:
E + S ES P + E
Trong đó: E là enzyme, S là cơ chất (Substrate), ES là phức hợp enzyme – cơ
chất, P là sản phẩm (Product).
Nhóm 14 6
Công nghệ sản xuất HFCS
Hình. Chức năng của enzyme. Sư tạo thành phức hợp enzyme – cơ chất
và chuyển hóa phức hợp thành sản phẩm (Prescott, Harley và Klein, 2005).
– Giai đoạn thứ nhất: enzyme kết hợp với cơ chất bằng liên kết yếu tạo thành
phức hợp enzyme – cơ chất (ES) không bền, phản ứng này xảy ra rất nhanh và đòi hỏi
năng lượng họa thóa thấp.
– Giai đoạn thứ hai: xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các
liên kết đồng hóa trị tham gia phản ứng.
– Giai đoạn thứ ba: tạo thành sản phẩm, còn enzyme được giải phóng ra dưới
dạng tự do.
Các loại liên kết chủ yếu được tạo thành giữa E và S trong phức hợp ES là tương
tác tỉnh điện, liên kết hydro, tương tác Van det Waals. Mỗi loại liên kết đòi hỏi những
điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi có nước

1.2.1. Sơ lược enzyme glucose isomerase (GI)
D-Glucose/xylose isomerase (D-xylose isomerase ketol; EC 5.3.1.5), thường
được gọi là glucose isomerase (GI), một trong ba enzym có giá trị cao nhất, rồi đến
amylase và protease. Theo Wiseman, GI có thể là quan trọng nhất trong tất cả các
Nhóm 14 7
Công nghệ sản xuất HFCS
enzyme công nghiệp trong tương lai. Nó xúc tác đồng phân hóa thuận nghịch D-
glucose và D-xylose thành D-fructose và D-xylulose. Sự chuyển đổi xylose thành
xylulose phục vụ một nhu cầu dinh dưỡng của vi khuẩn hoại sinh phát triển mạnh trên
cây mục nát và cũng hỗ trợ trong chuyển hóa sinh học của hemicellulose để sản xuất
ethanol. Đồng phân hóa glucose thành fructose có tầm quan trọng thương mại trong
việc sản xuất HFCS. Sucrose có nguồn gốc từ củ cải đường (40%) và mía (60%) là các
chất làm ngọt chính trên thế giới cho đến năm 1976. Việc sản xuất HFCS bằng cách sử
dụng isomerase glucose được phát triển đầu tiên ở Nhật Bản và sau đó tại Hoa Kỳ.
Nguồn gốc của phát triển thành công ngày hôm nay của sản phẩm fructose syrup
nằm trong sự phát hiện của enzyme glucose-isomerizing. Việc phát hiện của Marshall
và Kooi năm 1957 về khả năng của enzyme glucose-isomerase từ Pseudomonas
hydrophila là điểm khởi đầu của khai thác các enzyme này để sản xuất HFCS như một
sự thay thế cho đường mía. Mặc dù ái lực của enzyme này cho glucose là thấp hơn 160
lần so với xylose, nhưng các enzym cũng có giá trị thương mại đáng kể. Takasaki và
Tanabe đã phân lập từ Bacillus megaterium AI một glucose isomerase (EC 5.3.1.18).
Một hoạt động tương tự như glucose isomerase, xúc tác các đồng phân hóa của cả hai
glucose và mannose fructose, được phân lập từ Paracolobacterium aerogenoides.
Glucose isomerase sản xuất bởi vi khuẩn axit Heterolactic yêu cầu xylose như một
chất cảm ứng và tương đối ổn định ở nhiệt độ cao. Với nhiệt ổn định và không không
yêu cầu cofactors đắt tiền như NAD1 hoặc ATP cho hoạt động. Tiềm năng cho việc sử
dụng thay thế đường sản xuất từ tinh bột đã được đề xuất. Các chế phẩm enzyme dùng
đồng phân hóa glucose lần đầu tiên được thực hiện trên một quy mô công nghiệp vào
năm 1967. Nhu cầu đối với HFCS trong ngành công nghiệp thực phẩm gia tăng, và
đến năm 1980, thực tế tất cả các công ty lớn chế biến tinh bột trong giới phương Tây

đã phải dùng đến công nghệ GI. Ngày nay,enzyme chiếm lĩnh thị trường lớn nhất
trong ngành công nghiệp thực phẩm.
Nhóm 14 8
Công nghệ sản xuất HFCS
Hình. Cấu trúc không gian của GI
Enzyme so với đồng phân hóa trong hóa học. Việc chuyển đổi hóa học của
glucose thành fructose đã được biết đến từ 100 năm qua và tạo thành một trong 1
nhóm phản ứng Những phản ứng này thường được thực ở pH và nhiệt độ cao. Khả
năng sản xuất fructose hóa học từ glucose đã được nghiên cứu bởi Barker et al Phản
ứng này là không đặc hiệu và dẫn đến hình thành các đường nonmetabolizable như
psicose và các sản phẩm màu không mong muốn khác. khó khăn để đạt được một
fructose nồng độ hơn 40% theo phương pháp này. Hơn nữa, hóa học sản xuất fructose
có hương vị và vị ngọt giảm, không thể dễ dàng khắc phục. Do đó, nó không thể được
sử dụng thương mại. Mặt khác, enzyme chuyển đổi glucose thành fructose có nhiều ưu
điểm, chẳng hạn như đặc trưng của phản ứng, yêu cầu các điều kiện pH và nhiệt độ
của môi trường xung quanh của, và không hình thành các sản phẩm phụ. Vì vậy,
enzyme chuyển đổi đồng phân hóa hóa học của glucose thành fructose, và ngày nay đã
có các quá trình liên quan đến GI đáng kể trong việc mở rộng thị trường công nghiệp.
Glucose isomerase chủ yếu được thu nhận từ vi khuẩn. Ứng dụng của enzyme
này trong sản xuất công nghiệp được bắt đầu từ khi áp dụng công nghệ sử dụng
enzyme glucose isomerase cố định trên chất mang không tan.
Nhóm 14 9
Công nghệ sản xuất HFCS
Glucose isomerase từ Lactobacillus sp. cần có mặt Co
2+
và Mg
2+
để hoạt hóa.
Glucose isomerase từ Streptomeces có pH optimum 8,0 – 8,5, MW 165.000 – 180.000
Da, ổn định trong khoảng pH 5,0 – 11,0. Glucose isomerase từ Bacillus coagulans do

hang Novo cung cấp có thể hoạt động ở 90
o
C, nhưng bền hơn cả là ở 60 – 65
o
C, pH
optimum 8,0 – 8,5. Một số sản phẩm glucose isomerase thương mại trình bày trong
bảng
Tên thương mại Nhà sản xuất Nguồn gốc
GODO - GI Godo Shusei [GO] S. griseofuscus
Taka - Sweet Solvey Enzyme
[SOE]
S. olivaceus
Spezyme GI Cultor Ltd. [CL] A. rubiginosus
Optisweet Solvey Enzyme
[SO]
G-zyme G 993 CPC
International/Div
S. olivochromo
Enzyme Biosystems
[CPC]
Roquette Freres S.A
[RF]
S. violacenoniger
Swetase Nagase Co. Ltd
[NG]
S.phaeochromo
Sweetzyme Novo Nordisk A/S
[NO]
Bacilluscoagu
Glucoisomerase Biological Products

[ICI]
Arthrobacter sp.
1.2.2. Phản ứng đồng phân hóa
Các thí nghiệm được thực hiện trong bình phản ứng sinh học. Chất xúc tác là
Sweetzyme IT với kích thước hạt từ 0,4 – 1,0 mm, được cung cấp bởi Novozyme A/S
(Bagsvaerd, Denmark). Sweetzyme IT là một cấu trúc xốp mang enzyme cố định
glucose isomerase.
Một trong những cơ chế động học được xúc tác bởi enzyme glucose isomerase là
cơ chế thuận nghịch Briggs-Haldane với k là giá trị hằng số không đổi (A. Converti,
M. Del Borghi, 1997)
Nhóm 14 10




Công nghệ sản xuất HFCS
G + E GE F + E
Toàn bộ phản ứng đồng phân hoá glucose dựa trên cơ chế thuận nghịch Briggs-
Haldane thì được mô tả như sau:
Với hằng số K
m
và thể tích lớn nhất được tính theo phản tứng theo phản ứng
thuận nghịch:
Hệ số cân bằng được tính trong một phản ứng enzyme thuận hoặc nghịch:
Tham số động học của toàn bộ phản ứng có thể tính được bằng phương pháp
Lineweaver-Burk.
Dung dịch glucose và fructose được chuẩn bị với nồng độ 0.5; 1.0; 2.0 và 3.0
mol/L. Thêm vào 20 g/L dung dịch thuốc thử heptahydrated maige sulphate
(MgSO
4

.7H
2
O) để dung dịch hoạt động và bền. Đầu tiên, tất cả các dung dịch phải
được loại khí, tối thiểu 2h để đảm bảo khí hoà tan sẽ không gây ảnh hưởng đến phản
ứng.Sử dụng 0.05 mol/L dung dịch đệm Tris để giữ pH của dung dịch ở mức 7.7 – 7.8.
Thêm vào 60 mL dung dịch thuốc thử và 1 g Sweet-zyme IT cho mỗi thử
nghiệm. Bình phản ứng được khuấy ở 150 rpm và nhiệt độ 328 K. Khoảng 50 L sẽ
được lấy ra từ bình phản ứng tương ứng ở các khoảng thời gian đặc trưng và được pha
Nhóm 14 11
Công nghệ sản xuất HFCS
loãng ở các khoảng nồng độ trong một bộ cảm biến RI. Dung dịch glucose và fructose
sẽ được xác định bằng phương pháp cột sắc ký lỏng cao áp, sủ dụng bộ cảm biến RI.
Tham số động học nhận được được trình bày ở bảng 2. Gía trị hệ số cân bằng K
c
,
xác định khả năng tạo sản phẩm fructose dưới điều kiện thử nghiệm được sử dụng. Ở
bảng 2, có thể một vài tham số động học của phản ứng đồng phân quang học glucose
đã được đưa ra.
Trong lò phản ứng, khối lượng cân chính xác được biểu diễn trong giới hạn cho
phép của sự chuyển hoá:
(17)
Với W là khối lượng xúc tác trong bình phản ứng và X là thuốc thử chuyển hoá.
Tham số là:
Từ việc áp dụng biểu đồ phương pháp Linewaever-Bruck, xác định nồng độ
trong thử nghiệm ban đầu là một hàm số theo thời gian. Công thức (17) được dùng để
xác định tham số của tất cả các điểm của đường cong thử nghiệm. Phương pháp hồi
quy tuyến tính được đưa ra, chỉ rõ hàm số của công thức (17), toàn bộ phương trình
hồi quy không những xác định giá trị của tham số mà còn cho biết giá trị tổng nhỏ nhất
của phần còn lại để từ đó thiết lập dữ liệu cho các thử nghiệm. Ở phương pháp này, hệ
số cân bằng có giá trị là 1.04.

Biểu đồ 3 trình bày một vài kết quả thử nghiệm và dự đoán vài mẫu mô phỏng
toàn bộ phản ứng – CT (13) – với tham số được liệt kê ở bảng 3. Theo hình minh hoạ,
Nhóm 14 12
Công nghệ sản xuất HFCS
cả hai mẫu sản phẩm fructose và glucose được chỉ ra cho phản ứng đồng phân học, sử
dụng dung dịch thuốc thử ban đầu có nồng độ 0.5 và 1.0 mol/ L.
Biểu đồ tính toán trình bày sự cân bằng trong thử nghiệm, và xác định toàn bộ
giá trị của phản ứng, có lợi cho việc dự đoán phản ứng đồng phân học của glucose.
Sự tác động từ ngoài vào trong khiến đường được chuyển hoá. Tất cả các thử
nghiệm đều được kiểm tra dưới điều kiện tiến hành áp dụng cho thử nghiệm này, sự
khuếch tán vào bên trong màng film và khuếch tán vào trong các lỗ xốp thì không có
ảnh hưởng đáng kể đến quá trình phản ứng.
1.2.3. Động học phản ứng đồng phân hóa glucose thành fructose
Enzyme cố định Sweetzyme IT, glucose isomerase thương mại có sẵn thu được
từ Công ty Novozyme, Đan Mạch được sử dụng trong nghiên cứu này. Ba mẫu
glucose 10g, 15g và 20g được cân cẩn thận, sau do them 100 ml nước khử ion vào ba
Nhóm 14 13
Công nghệ sản xuất HFCS
mẫu trong ba bình tam giác 250ml để làm cho dung dịch đường glucose nồng độ ban
đầu của 10, 15 và 20% tương ứng. Tất cả các bình được đậy lại bằng lá nhôm trong
suốt thí nghiệm để ngăn chặn sự bay hơi nước. Ba khối lượng enzyme khác nhau 0,5,
1,0 và 1,5 g được thêm vào 3 bình chứa 3dung dịch đường khác nhau. Mẫu được đặt
riêng biêt trong một chậu nước rung (Julabo SW23) được trang bị kiểm soát nhiệt độ
vôi đo chính xác (+ 0,1°C). Các đồng phân hóa nhiệt độ bao phủ khoảng 40-70°C. Tốc
độ lắc đã được cố định tại 125 rpm trong tất cả các thí nghiệm đồng phân hóa.
Các mẫu được phân tích đường sau mỗi hai giờ bằng cách sử dụng HPLC
(Agilent 1100 series, mô hình G1362A) được trang bị một máy dò RI. Zorbax cột phân
tích carbohydrate, 4,6 mm x 150 mm, được duy trì ở 35ºC, được sử dụng để phân tích
đường. Giai đoạn di động (acetonitril trong nước khử ion; 70:30%) tốc độ dòng chảy
là 1,5 ml / phút.

Ban đầu, các thí nghiệm đồng phân hóa được thực hiện để tối ưu hóa việc nạp
enzyme và nhiệt độ phản ứng. Kết quả của việc tối ưu hóa và các mô hình động đề
xuất được trình bày trong các phần phụ sau.
Trong các thí nghiệm tối ưu hóa sơ bộ, phản ứng nhiệt độ đã được thay đổi từ 40
đến 70°C glucose ban đầu nồng độ 10%, 15% và 20% và khối lượng enzyme 0,5 g.
Kết quả cho thấy: ở 40°C, thời gian phản ứng hơn 60h không có sự khác biệt đồng
phân hóa glucose đạt được (8,3%, 8,1% và 7%) tương ứng với các nồng độ ban đầu
10%, 15% và 20%. Như vậy, để có được đồng phân hóa glucose cao hơn, thời gian
phản ứng được tăng lên đến mức cao nhất có thể. Kết quả của việc tăng nhiệt độ đồng
phân hóa đến 60°C cho thấy có sự chuyển đổi dạng kế của glucose. Glucose chuyển
đổi ở 60°C đạt 40%, 29,8% và 27,8% tương ứng với glucose ban đầu nồng độ 10%,
15% và 20%. Sau khi tăng thêm nhiệt độ đồng phân hóa đến 70°C, glucose chuyển đổi
đạt 40,9%, 35,8% và 33,6%. Nhiệt độ phản ứng thí nghiệm tối ưu hóa cho thay giá trị
chuyển đổi glucose ở 70°C là gần với những kết quả thu được ở 60°C và cao hơn đáng
kể so với những kết quả thu được ở 40°C. Tuy nhiên, tăng thêm nhiệt độ phản ứng
vượt quá 70°C là điều không nên làm, vì nó sẽ dẫn đến hiện tượng caramen hóa của
đường, do đó mang lai màu sắc không mong muốn đến kết quả cuối cùng của dung
Nhóm 14 14
Công nghệ sản xuất HFCS
dich đường. Để tối ưu hóa tải enzyme, đồng phân hóa 10% dung dịch glucose đã được
tiến hành ở 60°C cho khối lượng ban đầu của enzyme 0,5, 1,0 và 1,5 g. Kết quả thí
nghiệm như vậy cho thấy, tại khoảng thời gian phản ứng 40h khối lượng enzyme ban
đầu 1.0 va 1.5 có sự khác biệt đáng kể về sự chuyển hoá thành fructose (51,9% và
58,9%), trong khi đó với khối lượng enzyme ban đầu là 0,5 g chỉ là 40% sau 60 giờ
thời gian phản ứng đã được thể hiện trong hình 1.
Hai mô hình đã được nghĩ ra để mô tả các động học của phản ứng đồng phân hóa
glucose bằng cách sử dụng các dữ liệu thử nghiệm cho các nạp enzyme 1g ở nhiệt độ
phản ứng của 50ºC, 60ºC và 70ºC và nồng độ glucose ban đầu 10%, 15% và 20%. Mô
hình đầu tiên là một mô hình đơn giản không có hình phức tạp (gọi là Model 1) và thứ
hai là một mô hình phức tạp với một hình thành một bước phức tạp (gọi là Mô hình 2).

Cả hai mô hình giả định động học thứ tự đầu tiên cho các bước khác nhau. Việc kích
hoạt nguồn năng lượng tương ứng và các yếu tố theo hàm số mũ trước được đánh giá
bằng cách sử dụng phần mềm Excel và Runge-Kutta thuật toán lệnh tự thứ tư và
phương pháp bình phương it nhất cho giảm thiểu sai sót. Hằng số tốc độ được giả định
theo Arrehenius.
1.3. Streptomyces flavogrieus
1.3.1. Đặc điểm hình thái, cấu trúc Streptomyces spp.
Streptomyces là lớn nhất chi của Actinobacteria và chi nhập của gia đình
streptomycetaceae. Hơn 500 loài vi khuẩn Streptomyces đã được mô tả. Cũng như với
các Actinobacteria khác, Streptomyces là vi khuẩn gram dương, được tìm thấy chủ yếu
trong đất và thảm thực vật mục nát. Streptomyces có khả năng sản xuất bào tử.
Streptomyces được nghiên cứu rộng rãi nhất và được biết đến nhiều nhất là chi của
họ xạ khuẩn (atinomyces). Streptomyces thường sống ở đất và có vai trò là vi sinh vật
phân hủy rất quan trọng. Chúng cũng sản xuất hơn một nửa số thuốc kháng sinh của
thế giới và đó là sản phẩm có giá trị lớn trong lĩnh vực y tế.
a. Cấu trúc tế bào và trao đổi chất
Nhóm 14 15
Công nghệ sản xuất HFCS
Streptomyces được tìm thấy trên toàn thế giới, nhất là trong đất. Chúng đóng một
vai trò quan trọng trong sự phân giải các chất hữu cơ, thường có nhiều trong các đống
phân ủ.
Streptomyces có cấu trúc giống nấm. Nhánh của chúng sự sắp xếp của các tế bào
hình sợi thành một mạng lưới gọi là sợi nấm. Chúng có thể chuyển hóa các hợp chất
khác nhau bao gồm: đường, rượu, acid amin, và các hợp chất thơm bằng cách sản xuất
các enzym thủy phân ngoại bào. Do gen của chúng lớn nên trao đổi chất của chúng
cũng đa dạng, trong đó có hàng trăm nhân tố phiên mã kiểm soát biểu hiện gene, cho
phép chúng đáp ứng nhu cầu cụ thể.
Trên môi trường agar, xạ khuẩn chi Streptomyces sinh sản vô tính bằng bào tử.
Trên thành sợi khí sinh thành cuống sinh bào tử và chuỗi bào tử. Cuống sinh bào tử có
nhiều dạng khác nhau tùy loài: thẳng, lượn sóng xoắn, có móc, vòng,…Bào tử được

hình thành trên cuống sinh bào tử bằng 2 phương pháp: phân đoạn và cắt khúc. Bào tử
xạ khuẩn có hình bầu dục, hình lăng trụ, hình cầu với đường kính khoảng 1,5 µm.
Màng tế bào có thể nhẵn, gai khối u, nếp nhăn…. tùy thuộc vào loài xạ khuẩn và môi
trường nuôi cấy.
b. Đặc điểm của Steptomyces
Các loài xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces có cấu tạo giống vi khuẩn gram (+),
hiếu khí, dị dưỡng các chất hữu cơ. Nhiệt độ tối ưu thường là 25 – 300C, pH tối ưu 6,5
– 8,0. Một số loài có thể phát triển ở nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn (xạ khuẩn ưa
nhiệt và ưa lạnh).
Streptomyces có chu kỳ sống phức tạp bao gồm: hình thành các bào tử và các
loại tế bào khác. Thông thường, một bào tử nảy mầm trong điều kiện phải có chất nền
để tạo ra thực vật hoặc các sợi nấm. Điều này bao gồm một mạng lưới các nhánh sợi
nấm mọc lên và cắm vào bề mặt để hấp thu được chất dinh dưỡng.
Streptomyces và họ hàng của nó đã trở nên phổ biến nhờ vào khả năng sản xuất
ra các chế phẩm như: thuốc kháng sinh, thuốc kháng nấm, thuốc chống ung thư, ức chế
miễn dịch, thuốc diệt cỏ… Quá trình sinh tổng hợp của các hợp chất này khá khó
Nhóm 14 16
Công nghệ sản xuất HFCS
khăn. Quy định một cách cẩn thận với các quá trình của sự phân lập tế bào, bắt đầu
trong việc chuyển đổi sang sợi nấm trên môi trường thạch hoặc trong giai đoạn cuối
theo cấp số nhân (trong các môi truờng nuôi cấy lỏng).
Vì có cấu trúc tế bào nấm trong tế bào của chúng, nên cũng giống như nấm,
streptomyces cũng có chu kì đời sống phức tạp.
1.3.2. Phân lập Streptomyces flavogrieus
Do nhu cầu ngày sử dụng đường ngày càng tăng và giá cao, nên trong thập kỷ
qua đã tìm ra chất làm ngọt thay thế. Sản xuất syrup từ tinh bột để tăng vị ngọt và sử
dụng là một chất như thay thế đường. Việc sử dụng glucose isomerase để chuyển đổi
glucose trong ngô fructose syrup được thực hiện trong thực tế một thời gian. Một số
lượng lớn các vi sinh vật có khả năng sản xuất isomerase glucose đã được tìm thấy.
Loài Streptomyces đã được nghiên cứu rộng rãi và đã được sử dụng như là một nguồn

sản xuất enzyme. Bao gồm Streptomycesphaeochromogenes, S. albus, S. Bikiniensis,
S. cinnamonensis, S. flavovirens, S. fradiae, Streptomyces sp Các sinh vật khác bao
gồm Aerobacter cloacae, A. aerogenes, Lactobacillus brevis, Escherichia intermedia,
Paracolobactrum aerogenoides, Bacillus megaterium, B. coagulans, và Actinoplanes
missouriensis…
Rơm rạ có chứa hemicellulose khoảng 25%, khoảng 65% trong số đó là xylose.
Như vậy, rơm rạ có thể là một chất nền tốt cho việc sản xuất glucose isomerase nếu
một sinh vật có khả năng sản xuất các enzyme và phát triển trên rơm.
Phân lập Streptomyces flavogriseus:
Mẫu đất đã được hòa vào trong nước vô trùng và cấy trên một môi trường có
chứa:
-1% hemicellulose rơm
-0,03% vitamin Casamino axit (Difco)
-0,2% KNO
3
-0,2% K
2
HPO
4
-0,2% NaCl
-0,05% MgSO
4
.7H
2
0
-0,02% CaCO
3
Nhóm 14 17
Công nghệ sản xuất HFCS
-0,001% FeSO

4
.7H
2
0
-1,8% agar.
pH của môi trường đã được điều chỉnh đến 7.0.
Các khuẩn lạc bị phân lập được chuyển sang thạch nghiêng. Chủng từ các thạch
nghiêng sau đó được phát triển trong bình 250ml duy trì ở 30°C trên một máy lắc và
trong môi trường có chứa 1% hemicellulose rơm, 1% peptone, 0.5% chiết nấm men và
0,1% MgSO
4
.7H
2
0.
1.3.3. Chiết xuất enzyme glucose isomerase
Để sản xuất glucose isomerase, các vi sinh vật sẽ được nuôi trên một môi trường
có chứa:
-1% hemicellulose rơm
-2,5% rượu ngô
-0,1% MgSO
4
.7H
2
O.
pH của các Môi trường sản xuất nên được duy trì tối đa 7.0 ngay cả sau khi hấp
khử trùng.
Sau thời gian ủ qua đêm, môi trường được ly tâm, khối tế bào được rửa hai lần
bằng nước cất. Thêm đệm natri phosphate 0,05 M (pH 7,0) vào khối tế bào tạo dịch
huyền phù.
Enzyme của vi sinh vật thường được tách ra bởi sự phá vỡ cơ học lên thành tế

bào như đồng hóa áp lực cao, nghiền ẩm; hoặc không phải bằng phương pháp cơ học
như dùng hóa học, sinh học, vật lý Phương pháp phổ biến nhất được sử dụng trong
phòng thí nghiệm cho quá trình tách glucose isomerase là phá vỡ thành tế bào bằng
siêu âm.
Glucose isomerase dễ dàng giải phóng bởi sự tự phân. Chất tẩy rửa cation như
cetylpyridinium chloride, chloride octadecyltrimethylammonium, hoặc clorua
dimethylbenzylalkylammonium được sử dụng cho việc tự phân trong dung dịch huyền
phù tế bào có chứa glucose isomerase.
Nhóm 14 18
Công nghệ sản xuất HFCS
Ngoài các chất tẩy rửa, lysozyme, toluene, hoặc sự kết hợp của lysozyme và
toluen được sử dụng cho sự phá vỡ thành tế bào của sinh vật sản xuất enzyme nhưng
lại có hiệu suất kém.
-Dung dịch được xử lý bằng một máy siêu âm ở trong 10 phút.
-Sau đó đem dịch đi ly tâm 20000 vòng trong 20 phúc ở để loại bỏ tế bào chết,
thu lấy phần dịch nổi.
-Phần dịch nổi được thêm vào 30% amoni sulfat, sau đó đem đi ly tâm 20000 vòng
trong 15 phút, loại bỏ phần tủa. Thu lấy phần dịch nổi và bão hòa với 70% amoni
sulfat.
-Các hạt nhỏ thu được sau khi đem dịch trên ly tâm 20000 vòng trong 30 phút, sau
đó hòa tan trong nước cất.
-Tinh sạch enzyme bằng phương pháp ướp muối dựa trên nguyên tắc enzyme
không hòa tan ở nồng độ muối cao. Khi nồng độ muối tăng lên, một số phân tử
nước sẽ bị hút bởi các ion muối, làm giảm số lượng phân tử nước liên kết hidro xung
quanh enzyme, giữa các enzyme hình thành tương tác kỵ nước, làm kết tinh enzyme.
1.3.4. Xác định hoạt tính glucose isomerase
Hoạt tính của Glucose isomerase được xác định theo phương pháp Dische và
Borenfreund.
Hỗn hợp phản ứng xác định hoạt tính enzyme chứa:
-0,5 ml đệm natri phosphate 0,2 M (pH 7,0)

-0,2ml dung dịch D-glucose 1M
-0,1ml MgSO
4
.7H
2
O 0,1M
-0,1ml CoCl
2
.6H
2
0 0,01M
-0,2 ml dung dịch enzyme.
Dung dịch đem cho chạy qua với 1 thiết bị khuấy đều trong 1 phút, sau đó đem ly
tâm 12000 vòng/10 phút.
Dịch nổi được thu lấy, thêm nước cất vào cho đến 2ml. Hỗn hợp này được ủ ở
70°C trong 1h, và phản ứng được dừng lại bằng cách thêm 2 ml acid percloric 0,5M.
Nhóm 14 19
Công nghệ sản xuất HFCS
Một trong những đơn vị hoạt tính của GI được định nghĩa là lượng enzyme sản
xuất ra 1µmol D-fructose trên mỗi phút theo điều kiện đã có sẵn.
2. CỐ ĐỊNH ENZYME GLUCOSE ISOMERASE
Enzyme cố định thường là những enzyme hòa tan được gắn vào một chất mang.
2.1. Đặc điểm của enzyme cố định
Tại cuộc hội thảo về công nghệ enzyme vào năm 1971 ở New Hampshire (Mỹ),
lần đầu tiên công nghệ cố định enzyme được đưa ra thảo luận và thống nhất sử dụng
bốn nhóm công nghệ cố định enzyme.
Vật liệu cố định enzyme thường có kích thước hạt khoảng 0,5 – 1mm, tương ứng
với diện tích bề mặt hạt >50m
2
/g, với đường kính lỗ trung bình khoảng 10 – 15nm.

- Mục đích
Hạn chế sự di chuyển tự do của enzyme nhờ phương pháp vật lý hay hóa học.
Tiên tiến hơn enzyme tự do (enzyme tự do không thu hồi được sau phản ứng và
dễ bị mất độ bền hơn).
- Ưu điểm
Có thể tái sử dụng một lượng enzyme xác định trong một thời gian, do đó tiết
kiệm được enzyme và làm tăng hiệu quả kinh tế.
Dể dàng thu hồi sản phẩm.
Dể dàng kiểm soát quá trình.
Thời gian lưu ngắn.
Tối ưu hóa được hiệu suất.
Hoạt tính ổn định hơn so với enzyme thự do khi có sự thay đổi của môi trường.
Enzym cố định có tính bền nhiệt hơn enzyme hòa tan cùng loại
Enzym cố định có khả năng bảo quản tốt hơn.
Có thể tái sử dụng enzym cố định nhiều lần.
- Hạn chế
Nhóm 14 20
Công nghệ sản xuất HFCS
Hoạt tính của enzym cố định thường nhỏ hơn hoạt tính riêng của enzym hòa
tan cùng loại.
Enzym cố định có xu hướng chuyển dịch pH tối ưu sang kiềm hoặc acid so với
pH tối của enzym hòa tan.
Enzym cố định có khả năng bảo quản tốt hơn
- Enzym cố định hoàn toàn tuân theo định luật Michaelis – Menten. Tuy nhiên:
+ Có thể sẽ xảy ra hiện tượng cạnh tranh cơ chất với enzym và chất mang.
+ Hiện tượng cản trở sự khuếch tán cơ chất và các sản phẩm của phản ứng làm
giảm tốc độ phản ứng
- Enzyme cố định hoàn toàn tuân theo định luật michaelis-Menten. Tuy nhiên:
+ Có thể sẽ xảy ra hiện tượng cạnh tranh cơ chất với enzyme và chất mang.
+ Hiện tượng cản trở sự khuếch tán cơ chất và các sản phẩm của phản ứng làm

giảm tốc độ phản ứng.
Nhóm 14 21

!"#$%$&
'()*
+,$$-
./0$1
2&
3$*
00
Công nghệ sản xuất HFCS
2.2. Các phương pháp cố định enzyme
Nhóm 14 22
Công nghệ sản xuất HFCS
Hình. Các phương pháp cố định enzyme
• Cố định enzyme thông qua tạo liên kết cộng hóa trị:
Tạo liên kết hóa trị với vật liệu mang được hoạt hóa thông qua các gốc tư do –
NH2, –OH, –SH ở mạch bên của các amino acid.
• Cố định enzyme thông qua phương pháp nhốt:
Tiến hành nhốt enzyme vào chất nền tạo gel tự nhiên hay gel tổng hợp, có bản
chất là polyme là khá đơn giản.
Alginate và Caraghehan lấy từ rong biển thường có khả năng tạo gel tốt, thuận
lợi để gói enzyme và tế bào. Canxialginate là một trong những vật liệu thích hợp cho
phương pháp nhốt enzyme. Hỗn hợp enzyme và alginate được nhỏ xuống dung dịch
CaCl
2
để tạo hạt.
Ưu điểm: khá phù hợp để sử dụng cho mục đích
cố định tế bào.
Nhược điểm: Gel dạng hình cầu lại mềm và xốp, độ

bền cơ học thấp, khó có thể nhồi vào cột phản ứng nên ít được sử
dụng. Ion Ca2+ đóng vai trò làm chất kết nối gel thường dễ bị hòa tan
khi bổ sung thêm muối.
Nhóm 14 23
Hình. Họat hóa chất mang bằng CNBr (độc) dể tạo liên kết
cộng hóa trị với enzyme
Công nghệ sản xuất HFCS
Hình. Cố định enzyme bằng phương pháp nhốt
• Cố định enzyme thông qua phương pháp khâu mạch (cross – linking):
Những chất có hai hoặc đa nhóm chức năng như: diisocyanate, glutaraldehyde,
hexamethylen diisocyanate được dùng làm cầu nối khâu mạch các phân tử enzyme.
Những enzyme được khâu mạch tạo thành mạng lưới không tan trong nước. Theo
phương pháp này thì hoạt tính của enzyme cố định thường thấp, do các hợp chất khâu
mạch có thể liên kết không đặc hiệu vào trung tâm hoạt động của enzyme và enzyme
bị liên kết tạo thành một khối kém linh động.
• Phương pháp hấp thụ vật lí (physical adsorption):
Nhóm 14 24
Tạo gel
polyacryamide
Tạo gel alginate
Tạo gel Carrageenan
Công nghệ sản xuất HFCS
Phương pháp này khá đơn giản, được sử dụng sớm nhất và được ứng dụng rộng
rãi để cố định enzyme. Quá trình cố định là trộn lẫn dung dịch enzyme với vật liệu cố
định rồi ủ một thời gian cho phép rồi lọc, rửa phần enzyme không hấp thụ. Enzyme
được cố định trên chất mang nhờ các liên kết yếu như: liên kết ion, liên kết hydro, liên
kết Van der Wall,…
Trong phương pháp hấp thụ vật lí thì hoạt tính enzyme cố định thường cao, từ 50
– 100 %. Tuy nhiên, hoạt tính không ổn định lâu dài, enzyme dễ bị hấp thụ do sự thay
đổi pH, nhiệt độ, nồng độ enzyme và các thành phần ion.

2.3. Cố định enzyme glucose isomerase trên xilochrom B
Trước thập kỉ 70 fructose chưa được sản xuất công nghiệp. Năm 1973 công ty
Clintin Corn (USA) lần đầu tiên áp dụng quy trình chuyển hóa glucose thành fructose
trong công nghiệp bằng enzyme glucose isomerase cố định (GI) và đã trở thành công
nghiệp ứng dụng cố định enzyme lớn nhất từ trước tới nay.
Phần lớm các chế phẩm GI cố định thương mại có dạng hạt, sợi hoặc thể vô định
hình. Các dạng này thuận tiện để sử dụng trong các nồi phản ứng hình dạng khác nhau.
Người ta sử dụng tế bào cố định thay vì dùng enzyme bở lẽ glucoisomerase tách ra
khỏi tế bào thường kém bền vững và mặt khác, chi phí cho công đoạn cố định enzyme
thường tốn thời gian và tốn kém về tiền bạc.
Chế phẩm GI đang được sủ dụng trong công nghiệp sản xuất HFCS phần lờn ở
dạng cố định. Các chất mang cho GI có thể là các polime hữu cơ như Polyacrylamid
gel, tricetacellulise, DEAE-celluose, chitin, collagen, gelatin. Tuy nhiên, hiện nay
người ta đã bắt đầu sử dụng các chất mang là các hợp chất hóa học vô cơ với những ưu
điểm riêng của chúng như: bột thủy tinh đã được amin hóa, bột titan Ưu điểm chính
là độ bền cao, có tính trơ tốt với các hóa chất và rất quan trọng là không bị vi sinh vật
phân hủy.
Chiết xuất, tinh sạch GI thường được tiến hành qua các giai đoạn: Cho tế bào tự
ly giải, ly tâm bỏ cặn, kết tủa bằng muối sunfat amoon hoặc bằng dung môi hữu cơ và
tiếp tục tinh sạch bằng sắc kí gel. Giá thành của chế phẩm sẽ rất cao nếu phải trải qua
Nhóm 14 25