Xây dựng mô hình toán học để điều khiển kết thúc quá trình thuỷ phân tinh bột ngô Zea Mays

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN DỌC ĐỂ
ĐIỀU KHIỂN KẾT THÚC Q TRÌNH
THỦY PHÂN TINH BỘT NGÔ
NGÀNH: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
ĐẶNG THANH THỦY

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS HỒNG ĐÌNH HỒ

HÀ NỘI 2006


MỤC LỤC
1. Các nội dung
2. Các bảng biểu
3. Các hình vẽ
1. Các nội dung
Phần I MỞ ĐẦU ................................................................................................ 5
Phần II TỔNG QUAN ........................................................................................ 7
II.1. Đặc điểm cấu tạo của Ngô (Corn/Maize) .............................................. 7
II.1.1.
Cấu tạo ........................................................................................... 7
II.1.2.
Thành phần hoá học ....................................................................... 9
II.2. Enzim và cơ chế thuỷ phân tinh bột ..................................................... 14
II.2.1.

Phân loại và cơ chế thủy phân ..................................................... 14

II.2.2.
Các enzim phân cắt mối liên kết α-1,4 glucozid .......................... 15
II.2.3.
Các enzim phân cắt mối liên kết α-1,6 glucozid .......................... 17
II.3. Các chế phẩm enzim ............................................................................ 19
II.4. Ứng dụng của sản phẩm thủy phân ...................................................... 22
II.5. Lý thuyết Quy hoạch thực nghiệm điều khiển quá trình ..................... 23
Phần III
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 35
III.1 Nguyên liệu, thiết bị ............................................................................. 35
III.2 Phương pháp nghiên cứu...................................................................... 36
III.2.1 Phương pháp hoá sinh .................................................................. 36
III.2.1.1
Xác định hoạt độ α-amylaza (Hđ.A)- theo Rukhliadeva từ vi
khuẩn
36
III.2.1.2
Xác định hoạt độ α- -amylaza (Hđ.A)- theo Rukhliadeva từ
nấm mốc 38
III.2.2 Phương pháp hoá lý...................................................................... 38
III.2.2.1
Xác định độ ẩm ........................................................................ 38
III.2.2.2
Xác định hàm lượng glucoza: .................................................. 38
III.2.2.3
Xác định dextrin: Phương pháp kết tủa cồn ............................ 40
III.2.2.4
Xác định maltoza: Phương pháp iod ....................................... 41

III.2.2.5
Xác định đường theo DNS........................................................ 42
III.2.2.6
Xác định hàm lượng tinh bột.................................................... 42
III.2.2.7
Xác định nồng độ chất khô theo phương pháp hoá lý dùng chiết
quang kế. 43


2

III.2.3 Phương pháp thuỷ phân ............................................................... 43
III.2.3.1
Phương pháp dịch hoá ......................................................... 44
III.2.3.2
Phương pháp đường hóa...................................................... 44
III.2.4 Phương pháp tốn......................................................................... 45
III.2.4.1
Lựa chọn các thơng số điều khiển của q trình ................. 45
III.2.4.2
Xây dựng Kế hoạch thực nghiệm và làm thí nghiệm nhận
thơng tin 48
III.2.4.3
Xây dựng mơ hình tốn học ................................................. 49
Phần IV
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 54
IV.1
Khảo sát đặc tính nguyên liệu ........................................................... 54
IV.1.1. Xác định độ ẩm của bột ngô......................................................... 54
IV.1.2. Xác định hàm lượng glucoza trong bột ngô ................................. 54

IV.1.3. Xác định hàm lượng dextrin trong bột ngô .................................. 55
IV.1.4 Xác định hàm lượng tinh bột trong bột ngô...................................... 55
IV.2 Xác định hoạt lực enzim của các chế phẩm enzim .............................. 55
IV.2.1 Termamyl 120L............................................................................ 55
IV.2.2 Fungamyl 800L ............................................................................ 56
IV.3 Khảo sát sát ảnh hưởng của thời gian tới q trình dịch hố ............... 56
IV.4 Khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố đơn lẻ đến quá trình đường hoá 57
IV.4.1 Nhiệt độ ........................................................................................ 57
IV.4.2 Thời gian ...................................................................................... 58
IV.4.3 Nồng độ Enzim ............................................................................ 59
IV.5 Thiết lập mơ hình quy hoạch thực nghiệm: ......................................... 60
IV.5.1 Lựa chọn thông số điều khiển của quá trình ................................ 60
IV.5.2 Xây dựng Kế hoạch thực nghiệm và thí nghiệm nhận thơng tin . 60
IV.5.3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm .................................................. 61
IV.5.4 Kiểm chứng bằng thực nghiệm .................................................... 63
IV.5.5 Giải bài toán điều khiển quá trình đặt ra ...................................... 65
Phần V KẾT LUẬN .......................................................................................... 69
Phần VI
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................ 70
Các bảng biểu

Bảng II-1 Tỷ lệ trọng lượng vỏ, phôi và nội nhũ ................................................... 7
Bảng II-2 Sự phân bố thành phần hóa học trong từng phần của hạt ngơ ............. 8
Bảng II-3 Thành phần hố học của một số loại ngô.............................................. 9
Bảng II-4 Thành phần amyloza của một số loại nguyên liệu giàu tinh bột ......... 11
---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


3

Bảng II-5 Tính chất tinh bột của một số loại nguyên liệu giàu tinh bột .............. 12
Bảng II-6 - Độ bền với nhiệt độ của α-amylase từ malt (Miller, Johnson và
Palmer) ......................................................................................................... 17
Bảng II-7 - Đặc tính kỹ thuật của một số chế phẩm enzim .................................. 20
Bảng III-1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thuỷ phân tinh bột ............... 45
Bảng III-2 Mẫu ma trận thực nghiệm 23 .............................................................. 48
Bảng III-3 Hằng số tìm phương trình hàm mục tiêu............................................ 51
Bảng IV-1 Ma trận thực nghiệm 23...................................................................... 60
Bảng IV-2 Ma trận thực nghiệm mở rộng ........................................................... 61
Bảng IV-3 Các hằng số tìm hàm mục tiêu y 1 ....................................................... 61
Bảng IV-4 Hằng số tìm hàm mục tiêu y 2 ............................................................. 62
Bảng IV-5 Hằng số tìm hàm mục tiêu y 3 ............................................................. 62
Bảng IV-6 Giá trị hàm mục tiêu y 1 thực nghiệm và lý thuyết .............................. 63
Bảng IV-7 Giá trị hàm mục tiêu y 2 thực nghiệm và lý thuyết .......................... 64
Bảng IV-8 Giá trị hàm mục tiêu y 3 thực nghiệm và lý thuyết .............................. 64
Bảng IV-9 Thông số của q trình thuỷ phân với bài tốn 1 .............................. 65
Bảng IV-10 So sánh giá trị hàm mục tiêu lý thuyết và thực nghiệm ................... 66
Bảng IV-11 Sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm ............................................... 66
Các đồ thị

Đồ thị II-1 Tỷ lệ các thành phần trong nội nhũ của hạt ngô ................................. 9
Đồ thị II-2 Hàm lượng tinh bột ở các loại ngô khác nhau. ................................ 10
Đồ thị II-3 Sản lượng ngô dùng cho sản xuất tinh bột. ........................................ 13
Đồ thị IV-1 Hàm lượng tinh bột trung bình của nguyên liệu .............................. 55
Đồ thị IV-2 Hoạt lực enzim trung bình của chế phẩm Termamyl 120L .............. 56
Đồ thị IV-3 Hoạt lực enzim trung bình của chế phẩm Termamyl 120L .............. 56
Đồ thị IV-4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng thuỷ phân ......................... 58
Đồ thị IV-5 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thuỷ phân. ......................... 58
Đồ thị IV-6 Ảnh hưởng của nồng độ enzim đến quá trình thuỷ phân ................. 59
Các hình vẽ

Hình II-1 Cấu tạo của amyloza và amylopectin .................................................. 11
Hình II-2 Hình dạng, kích thước của tinh bột ngơ............................................... 12
Hình II-3 Sự biến đổi của hạt tinh bột ngơ trong q trình hồ hố..................... 13
Hình II-4 Sơ đồ thuỷ phân tinh bột dưới tác dụng α và β- amylaza.................... 14
---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


4

Hình II-5 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu ................................................................. 28
Hình II-6 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu với nhiễu e có tính cộng ......................... 29
Hình II-7 Các bước trong thuật tốn xây dựng mơ hình điều khiển.................... 32
Hình III-1 Sơ đồ thuỷ phân bằng các chế phẩm enzim ........................................ 43
Hình III-2 Sơ đồ cây các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng thuỷ phân ................. 46
Hình III-3 Mơ tả phần mềm giải hệ phương trình bậc nhất 3 ẩn ........................ 52

Phụ lục
Bảng phụ lục 1...................................................................................................... 39
Bảng phụ lục 2...................................................................................................... 41

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

Phần I

5

MỞ ĐẦU

Từ xa xưa đến xã hội ngày nay, thực phẩm luôn là mối quan tâm hàng đầu
trong vấn đề duy trì xã hội loài người. Cùng với sự phát triển của tiến bộ khoa
học và kĩ thuật, ngành khoa học về chế biến thực phẩm cũng phát triển tương
xứng, tạo ra sản phẩm đa dạng, đáp ứng nhu cầu ngày càng khắt khe của
người tiêu dùng.
Quy hoạch thực nghiệm là cơ sở phương pháp luận của nghiên cứu thực
nghiệm hiện đại. Lý thuyết thực nghiệm mới cho phép lựa chọn chiến lược
nghiên cứu tối ưu trong khi chưa hiểu biết quá trình một cách toàn diện. Đối
tượng càng phức tạp, hiệu quả của phương pháp này càng cao. Người nghiên
cứu tìm được mơ hình tốn học của q trình để giải bài tốn tối ưu theo quan
điểm mới và sử dụng mơ hình để xem xét điều kiện q trình.
Bài tốn tìm kết quả của một phản ứng hóa-sinh học với nhiều yếu tố đầu vào
khác nhau là một hệ phức tạp, rất phù hợp để áp dụng phương pháp này. Phản
ứng thủy phân tinh bột chẳng hạn, các yếu tố đầu vào gồm nhiều yếu tố ảnh
hưởng khác nhau như: hóa chất, enzim, nhiệt độ, môi trường, pH, thời gian,..
Bản thân các yêu tố này cũng có tác động lẫn nhau khi tham gia quá trình.
Trong luận văn này nghiên cứu cách áp dụng phương pháp điều khiển quá
trình cho phản ứng thuỷ phân tinh bột từ nguyên liệu ngô.
Nước ta là nước nông nghiệp với sản lượng lương thực lên đến 39,9 triệu tấn,
trong đó ngơ là nguồn ngun liệu chưa được chú trọng tạo ra các sản phẩm
có giá trị kinh tế cao, chủ yếu mới chỉ sử dụng cho gia súc. Từ các nguyên
liệu giàu tinh bột này qua các giai đoạn dịch hoá, đường hoá, lên men và kết
hợp với các yếu tố sinh, hoá, lý khác nhau…tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng
như bánh kẹo, rượu, đồ uống…

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy

Điều khiển quá trình phản ứng

6

Trong quá trình thuỷ phân tinh bột, enzim đóng vai trị đặc biệt quan trọng
trong suốt thời gian phản ứng. Chúng có thể tạo ra các thành phần khác nhau
như gluco, malto, dextrin… và thay đổi tỷ lệ của mỗi thành phần trong hỗn
hợp.
Quá trình phản ứng xảy ra khá phức tạp, cho đến nay người ta cũng chỉ dừng
ở mức nhận biết được các kết quả đầu ra so với các yếu tố đầu vào của phản
ứng cũng như xác định các thay đổi của các yếu tố tham gia quá trình phản
ứng như thời gian, nhiệt độ, pH, nồng độ enzim…Trong đề tài này nghiên cứu
cách áp dụng phương pháp điều khiển quá trình cho phản ứng thuỷ phân tinh
bột từ nguyên liệu ngô.
Luận văn giải quyết những vấn đề sau đây:
1. Lựa chọn phương pháp thuỷ phân bột ngô
2. Lựa chọn các nguyên liệu và loại enzim phù hợp cho thực hiện phản
ứng thuỷ phân.
3. Xây dựng phương pháp thực nghiệm
4. Tiến hành thực nghiệm lấy số liệu
5. Xây dựng đường hồi quy thực nghiệm dựa trên các số liệu có được
6. Xây dựng đường hồi quy lý thuyết theo phương pháp bình phương bé
nhất.
7. Kiểm tra xác nhận đường hồi quy lý thuyết bằng các chuẩn thống kê
toán học và các thực nghiệm.
8. Đưa ra các kết luận về phương pháp và các điểm cần được phát triển,
địi hỏi có thời gian nghiên cứu sâu hơn.

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy

Điều khiển quá trình phản ứng

Phần II
II.1.

7

TỔNG QUAN

Đặc điểm cấu tạo của Ngô (Corn/Maize)

II.1.1. Cấu tạo
Ngô là giống cây được cho rằng có nguồn gốc từ Mexico và vùng Trung Mỹ.
Ngơ là cây lương thực quan trọng sau lúa mì và gạo, là một trong những loại
cây lương thực quan trọng. Từ ngô chế biến được nhiều loại thực phẩm cho
người, nguyên liệu công nghiệp và thức ăn gia súc. Đặc biệt ngô là nguồn sản
xuất tinh bột nhiều nhất và quan trọng nhất so với các loại ngũ cốc khác. Hạt
ngô được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất rượu, bia, tinh bột, đường
glucoza...Phôi ngô để ép dầu ngô và sản xuất vitamin E, vitamin B1. [6]
Hạt ngô về mặt thực vật là loại quả dĩnh; một hạt riêng rẽ có vỏ hạt và hạt. Có
4 cấu trúc chính: vỏ hạt, phôi mầm, phôi nhũ và cuống hạt. [19]
Tỷ lệ giữa các thành phần này của một số loại ngũ cốc như sau:
Bảng II-1 Tỷ lệ trọng lượng vỏ, phôi và nội nhũ
Loại hạt

Vỏ, %

Phôi, %

Nội nhũ, %

Lúa

16,0 – 27,0

2,0 – 2,5

72

Ngơ

5,0 - 8,5

10,0 – 15,0

79 – 83

Lúa mì

15,0 - 19,0

2,2 – 3,2

77 – 82

1. Vỏ
Là bộ phận bảo vệ cho phôi và nội nhũ khỏi bị tác động cơ học cũng như hóa
học từ bên ngồi. Thành phần chính của vỏ là xenluloza, hemixenluloza,
lignin, khơng có dinh dưỡng.

2. Lớp alơrong và nội nhũ

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

8

Bên trong của lớp vỏ là lớp alơrong được cấu tạo từ một hàng tế bào lớn,
thành dày. Trong tế bào alơrong có chứa hợp chất nitơ, các chất khoáng và
các giọt chất béo.
Sau lớp alơrong là các tế bào lớn, thành mỏng có hình dạng khác nhau, sắp
xếp khơng thứ tự. Đó là các tế bào nội nhũ. Nội nhũ là phần dự trữ chất dinh
dưỡng của hạt. Thành phần chủ yếu của tế bào nội nhũ là tinh bột và protein.
Ngoài ra trong nội nhũ cịn có một lượng nhỏ chất béo, muối khống và sinh
tố.
3. Phơi
Phơi là phần phát triển thành cây non khi hạt nảy mầm, vì thế có khá nhiều
chất dinh dưỡng: 35% protein, 25% các gluxit hòa tan, 40% chất béo. Phần
lớn lượng sinh tố và enzim của hạt đều tập trung ở phôi. [5]
Bảng II-2 Sự phân bố thành phần hóa học trong từng phần của hạt ngơ
Thành phần hóa học

Vỏ hạt

Nội nhũ

Mầm

Protein

3,7

8,0

18,4

Chất béo

1,0

0,8

33,2

Chất xơ thơ

86,7

2,7

8,8

Tro

0,8

0,3

10,5

Tinh bột

7,3

87,6

8,3

Đường

0,34

0,62

10,8

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

9

Đồ thị II-1 Tỷ lệ các thành phần trong nội nhũ của hạt ngô
II.1.2.

Thành phần hố học

u cầu về chất lượng ngơ tùy thuộc vào mục đích sử dụng như sản xuất tinh
bột, đường glucoza...cần loại ngơ có hàm lượng tinh bột cao, hàm lượng protit
và chất béo thấp. Ngày nay có rất nhiều giống ngơ lai mới nhằm cải thiện tính
chất và thành phần. Dưới đây là một số loại ngô và thành phần hóa học của
chúng (% theo chất khơ) [5, 19, 20]
Bảng II-3 Thành phần hố học của một số loại ngơ
Loại ngô

Protit

Tinh bột

Lipid

Tro

Ngô bột

11,3

64,2

7,2

1,05

Ngô răng ngựa

12,2

61,5

7,7

1,16

Ngô đá

12,3

60,0

7,9

1,28

Ngô sáp

12,9

61,6

7,8

1,10

Ngô đường

13,8

31,2

14,4

1,37

Ngô nổ

14,3

59,9

6,36

1,33

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

10

Đồ thị II-2 Hàm lượng tinh bột ở các loại ngơ khác nhau.
Ngồi các thành phần trên, trong ngơ cịn có khoảng 1,6- 2,7% xenluloza; 1,55% đường; 1,0- 6% dextrin; 7- 8% pentozan. Trong ngô cịn chứa nhiều loại
vitamin: caroten có nhiều trong ngơ vàng; ít trong hạt ngơ vỏ trắng; vitamin
nhóm B cũng có nhiều trong ngơ, vitamin E có khoảng 0,23% trong dầu ngơ;
vitamin D và C có một lượng nhỏ trong ngơ non. Qua số liệu bảng trên thấy
rằng, hạt ngô chứa nhiều chất béo hơn hạt ngũ cốc khác. Có loại ngô chứa tới
14- 15% chất béo và tập trung chủ yếu ở phơi ngơ. [6]

Vỏ hạt có hàm lượng chất xơ thô cao khoảng 87%, cấu thành chủ yếu bởi
hemicelluloza 67%, celluloza 23% và lignin 0,1%. Mặt khác, nội nhũ chứa
lượng tinh bột cao 87,6% và lượng protein khoảng 8%. Hàm lượng chất béo
thô trong nội nhũ tương đối thấp. Cuối cùng mầm chứa hàm lượng chất béo
cao, trung bình khoảng 33%. Mầm cũng chứa một lượng protein tương đối
cao 18,4% và các chất khoáng. Khoảng 92% lượng protein ở teosinte (ngô
dại) nằm ở nội nhũ. [6]
Tinh bột chiếm chủ yếu trong nội nhũ và tồn hạt ngơ. Ngơ đường ít tinh bột
hơn nhưng lại giàu đường và dextrin hơn các loại ngơ khác. Là thành phần
chính của hạt ngơ, chiếm tới 72- 73% trọng lượng hạt. Những hydrat cacbon
khác phải là những đường đơn như glucoza, saccaroza, và fructoza chiếm từ
1- 3% trọng lượng hạt. Tinh bột ngô được cấu thành từ 2 thành phần chính:
---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

11

amyloza và amylopectin. Phần amyloza (có trọng lượng phân tử khoảng
250.000Da) chiếm 25- 30% và amylopectin (có trọng lượng phân tử khoảng
50-500 triệu Da) chiếm 70- 75%. Ngơ nếp chứa 100% là amylopectin.

Hình II-1 Cấu tạo của amyloza và amylopectin
So với bột mì thì ngơ ít protit hơn nhưng ngô lại chứa nhiều protit hơn thóc
(gạo). Tuy nhiên, trong protit của ngơ thường thiếu 2 axit amin không thay
thế là lyzin và triptophan. [19]
Bảng II-4 Thành phần amyloza của một số loại nguyên liệu giàu tinh bột
Tên nguyên liệu

Amyloza (%)

Amylopectin (%)

Ngô

25

75

Ngô nếp

0

100

Ngô giàu amyloza

77

23

15- 35

65- 85

Gạo nếp

1- 2

98- 99

Khoai tây

23

77

Sắn

20

80

Đậu

40

62

17- 24

76- 83

Gạo

Đại mạch

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy

Điều khiển q trình phản ứng

12

Bảng II-5 Tính chất tinh bột của một số loại nguyên liệu giàu tinh bột
Nguyên liệu

Hình dạng

Kích thước (µm)

Nhiệt độ hồ hố (0C)

Ngơ

đa giác, trịn

5- 25

65- 75

Gạo

đa giác

2- 10

70- 85

Đại mạch

bầu dục

5- 40

75- 85

Sắn

tròn

5 –35

52- 69

Khoai tây

bầu dục

30- 150

55- 69

Rong

80- 87

Hạt tinh bột ngơ

có cấu tạo đơn

giản, hình đa giác,

có một vài hạt

trịn. Kích thước

hạt tinh bột ngơ 5-

35µm, khơng đều

nhau. Nhiệt độ hồ

hố của tinh bột
750C.

Maize starch
(Amylum Maidis):
Polygonal, rounded or spherical granules up
to about 35 µm in diameter and usually having a
circular or several-rayed cleft.

ngơ khoảng 65-

Hình II-2 Hình dạng, kích thước của tinh bột ngô

Sự biến đổi của hạt tinh bột ngô trong q trình hồ hố được thể hiện qua hình
II- 3:
---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy

Điều khiển quá trình phản ứng

13

Hình II-3 Sự biến đổi của hạt tinh bột ngơ trong q trình hồ hố
Protein của ngô chủ yếu là zein - nằm trong phần nội nhũ. Người ta thấy rằng
có đến 14- 17 polypeptids khác nhau của protein ngô.
Sản lượng ngô trên thế giới là 600 triệu tấn hàng năm. Trong đó gần 10%
được dùng cho sản xuất tinh bột và các đường _dẫn xuất tinh bột, chiếm hàng
đầu so với các loại ngũ cốc khác.

Dùng cho s?n
xu?t tinh b?t
M?c đích khác

97.37%

Đồ thị II-3 Sản lượng ngô dùng cho sản xuất tinh bột.

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

14

Từ những số liệu trên ta thấy, trong ngô chứa rất nhiều tinh bột, và là nguồn
cung cấp nguyên liệu chủ yếu cho ngành sản xuất tinh bột trên toàn thế giới.

Enzim và cơ chế thuỷ phân tinh bột

II.2.
II.2.1.

Phân loại và cơ chế thủy phân

Các enzim thuỷ phân tinh bột thuộc nhóm hydrolaza. Dựa vào khả năng phân
cắt các mối liên kết trong mạch tinh bột, có thể phân loại như sau:
- nhóm enzim phân cắt mối liên kết α- 1,4 glucozid
- nhóm enzim phân cắt mối liên kết α- 1,6 glucozid
- nhóm enzim phân cắt cả mối liên kết α- 1,4 glucozid lẫn mối liên kết α- 1,6
glucozid.
Tinh bột
Amylose

Amylopectin
α-amylase

α-amylase

Dextrin phân tử lượng cao

Dextrin phân tử lượng thấp

α-amylase

β-amylase

α-amylase

Dextrin phân tử lượng thấp
α-amylase

Glucose

Maltotriose

Maltose

Oligosaccarise

Hình II-4 Sơ đồ thuỷ phân tinh bột dưới tác dụng α và β- amylaza

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

II.2.2.

15

Các enzim phân cắt mối liên kết α-1,4 glucozid

α-amylase: (1,4-glucan 4-glucanhydrolase) (EC 3.2.1.1)
α-amylase có khả năng phân cắt các liên kết α-1,4-glucoside của cơ chất một
cách ngẫu nhiên và là enzim nội bào. α-amylase không chỉ có khả năng phân
hủy hồ tinh bột mà cịn có khả năng phân hủy các hạt tinh bột nguyên vẹn.

Enzim này có tính đặc trưng là có khả năng dịch hóa cao, khi tác dụng lên
tinh bột làm giảm nhanh độ nhớt của tinh bột đã hồ hoá.
Cơ chế tác dụng của α-amylase:
Sự thủy phân tinh bột của α-amylase trải qua nhiều giai đoạn:
Trước tiên enzim này phân cắt một số liên kết α- 1,4 trên nhiều chuỗi và
trong nhiều điểm trên cùng một chuỗi của tinh bột tạo ra một lượng lớn
dextrin phân tử thấp (oligosacarit), sau đó các dextrin này bị thủy phân tiếp
tục để tạo ra malto và gluco.
Amylose bị phân cắt thành các oligosacarit hay polyglucoza (6-7 gốc glucoza)
dưới tác dụng của α-amylase, sau đó các oligosacarit này tiếp tục bị phân cắt
nên chuỗi bị ngắn dần và tạo thành maltotetroza, maltotrioza, maltoza. Sau
thời gian tác dụng dài, sản phẩm của quá trình thủy phân amylose là 13%
glucoza và 87% maltoza. [8]
Tác dụng của α-amylase trên amylopectin cũng xảy ra tương tự. Ở giai đoạn
đầu thuỷ phân, 20% oligosacarit và maltoza được tạo thành. Các tri- và tetrasacarit tạo ra tiếp đó được α-amylase phân cắt một cách chậm chạp và cuối
cùng tạo ra 72% maltoza, 19% glucoza, ngồi ra cịn có dextrin mạch nhánh
phân tử thấp và isomaltoza (8%) do α-amylase không thể cắt được liên kết α1,6 glucoside ở mạch nhánh của phân tử amylopectin.
Khả năng dextrin hóa của α-amylase rất cao do đó người ta cịn gọi α-amylase
là amylase dextrin hóa hay amylase dịch hóa.
---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển q trình phản ứng

16

Đặc tính: α-amylase từ các nguồn khác nhau có thành phần axit amin khác
nhau, mỗi loại α-amylase có một tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng.
α-amylase là một protein giàu tyrosine, trytophan, axit glutamic và aspartic.
Axit glutamic và aspartic chiếm khoảng ¼ tổng lượng axit amin cấu thành

nên phân tử enzym. α-amylase có ít methionine và có khoảng 7-10 gốc
cysteine. Trọng lượng phân tử của α-amylase malt là 59.000 kDa (Knin,1956;
Fischer, Stein, 1960), của vi khuẩn 24- 100 kDa. α-amylase dễ tan trong nước,
trong dung dịch muối và rượu lỗng. Protein của các amylase có tính axit yếu
và có tính chất của globulin. Điểm đẳng điện nằm trong vùng pH 4,2-5,7
(Bernfeld P, 1951).
α-amylase là một enzim cơ kim. Mỗi phân tử α-amylase đều có chứa 1-30
ngun tử gam Ca/mol, nhưng khơng ít hơn 1-6 ngun tử gam/mol. Ca tham
gia vào sự hình thành và ổn định cấu trúc bậc 3 của enzym, duy trì hoạt động
của enzim (Modolova, 1965). Do đó, Ca cịn có vai trị duy trì sự tồn tại của
enzim khi có tác động bởi các tác nhân gây biến tính và tác động của enzim
phân giải protein. Nếu phân tử α-amylase loại bỏ hết Ca thì nó sẽ hồn tồn bị
mất hết khả năng thủy phân cơ chất. α-amylase bền với nhiệt độ hơn các
amylase khác. Đặc tính này có lẽ liên quan đến hàm lượng Ca trong phân tử.
Tất cả các amylase đều bị kìm hãm bởi các kim loại nặng như Cu2+, Ag+,
Hg2+…
Điều kiện hoạt động của α-amylase từ các nguồn khác nhau thường không
giống nhau. Biên độ pH tối thích cho hoạt động của α-amylase từ malt khác
với α-amylase từ VSV. pH tối thích cho hoạt động của α-amylase từ đại mạch
nẩy mầm và thóc mầm là 5,3 (có thể hoạt động tốt trong khoảng pH 4,7-5,4).
Độ bền với axit của α-amylase malt kém hơn so với độ bền của α-amylase
nấm mốc. Độ bền của α-amylase bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và pH. Tuy nhiên
so với các loại amylase khác thì độ bền nhiệt của α-amylase cao hơn. Ở 0oC
---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

17

và pH 3,6 α-amylase của malt hồn tồn bị mất hoạt tính. α-amylase của thóc
mầm và malt hoạt động tốt nhất ở 58-60oC.
Bảng II-6 - Độ bền với nhiệt độ của α-amylase từ malt (Miller, Johnson và
Palmer)
Nhiệt độ (oC)

Hoạt độ α-amylase (%)
so với ban đầu

Nhiệt độ (oC)

Hoạt độ α-amylase (%)
so với ban đầu

65

100

80

25

70

100

85

1

75

58

90

0

II.2.3.

Các enzim phân cắt mối liên kết α-1,6 glucozid

β-amylase (1,4-α glucan-maltohydrolase) (EC 3.2.1.2)
β-amylase hiện diện phổ biến ở thực vật, đặc biệt là ở hạt nẩy mầm. Ở trong
các hạt ngũ cốc nảy mầm, β-amylase xúc tác sự thủy phân các liên kết α-1,4
glucan trong tinh bột, glucogen và polysacarid, phân cắt từng nhóm maltose
từ đầu khơng khử của mạch. Maltose được tạo thành do sự xúc tác của βamylase có cấu hình β.
Ở ngũ cốc, β-amylase tham gia vào sự phân giải tinh bột trong suốt quá trình
nảy mầm của hạt. Ở lúa, β-amylase được tổng hợp trong hạt suốt quá trình
nảy mầm của hạt và hầu như không được tổng hợp ở hạt khơ. Ở lúa mạch,
enzym có mặt trong hạt khơ, nó được tích lũy trong suốt q trình phát triển
của hạt và chủ yếu là liên kết với tinh bột của hạt. Khi ở dạng liên kết, enzim
này là một phân tử có trọng lượng phân tử là 64 kDa và khi bị phân cắt bởi
một protease sẽ được phóng thích dưới dạng tự do và có trọng lượng phân tử
là 59 kDa.

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

18

Cơ chế tác dụng của β-amylase:
β-amylase là một enzim ngoại bào (exoenzym). Tiến trình phân giải bắt đầu
từ đầu khơng khử của các nhánh ngồi cùng của cơ chất. β-amylase phân cắt
các liên kết α-1,4 glucosid nhưng khi gặp liên kết α-1,4 glucosid đứng kế cận
liên kết α-1,6 glucoside thì nó sẽ ngưng tác dụng. Phần polysaccharide cịn lại
là dextrin phân tử lớn có chứa rất nhiều liên kết α-1,6 glucoside và được gọi
là β-dextrin.
Tác dụng của β-amylase lên tinh bột như sau:
Tinh bột

β-amylase

Maltose (54-58%) + β-dextrin (42-46%)

Nếu tinh bột bị thủy phân đồng thời bởi cả α và β-amylase thì lượng tinh bột
sẽ bị thủy phân đến 95%.
Sự khác nhau giữa α và β-amylase khi xúc tác sự thủy phân tinh bột:
β-amylase hầu như không thủy phân các hạt tinh bột nguyên vẹn nhưng nó
phân hủy hồ tinh bột rất mạnh.
β-amylase phân giải 100% amylose thành maltose.
β-amylase phân giải 54-58% amylopectin thành maltose.
Đặc tính
β-amylase là một albumin, tâm xúc tác có chứa nhóm –SH, nhóm –COOH và
vịng imidazol của các gốc histidine và là enzym ngoại bào (exoenzym).
β-amylase khơng bền khi có Ca2+, β-amylase bị kìm hãm bởi Cu2+, Hg2+, urea,
iodoacetamide, iodine, ozon…
β-amylase chịu nhiệt kém hơn α-amylase nhưng bền với axit hơn. β-amylase

bị vơ hoạt ở 70oC. Nhiệt độ tối thích của β-amylase là 55oC, pH tối thích 5,15,5.
---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển q trình phản ứng

19

α-amylase cùng với β-amylase có trong mầm lúa mạch. Tuy nhiên, trong công
nghiệp người ta sản xuất amylase từ tụy tạng động vật hoặc từ nuôi cấy VSV.

II.3.

Các chế phẩm enzim

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại chế phẩm enzim với rất nhiều ứng
dụng phong phú đa dạng.
Trong số đó, NOVOZYMES là một hãng sản xuất chế phẩm enzim hàng đầu
trên thế giới. Các chế phẩm đều có những ứng dụng và mục đích khác nhau:
thủy phân protein, tinh bột, lipid...
Để lựa chọn chế phẩm enzim phù hợp với mục tiêu đặt ra của đề tài: tạo ra
dịch thủy phân maltoza có một số chế phẩm rất hiệu quả: là Fungamyl 800L
và Maltogenase L.
Các chế phẩm này có thể được sử dụng kết hợp với α- amylaza để làm giảm
độ nhớt, với pullanaza để cắt mạch dextrin, với amyloglucosidaza để thu được
hàm lượng glucoza cao, hoặc với lysophospholipid để nâng cao khả năng lọc
của dịch thủy phân tinh bột lúa mì. Để tạo ra khoảng 60% maltoza thì có thể
sử dụng β- amylaza kết hợp với một trong số những enzim ở trên. [15]

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy

Điều khiển q trình phản ứng

20

Bảng II-7 - Đặc tính kỹ thuật của một số chế phẩm enzim
Chế phẩm
Đặc tính

Fungamyl 800L

Beta_amylaza

MaltogenazaL
beta_amylaza

pH

5.0- 6.0

4.5- 5.5

5- 5.5

Nhiệt độ

53- 580C

55- 620C

600C

50ppm

0ppm

0ppm

< 50%maltoza

+++++

+++

-

50-55%maltoza

+++++

+++++

-

65-72%maltoza

-

+++++

+++

>80%maltoza

-

-

+++++

Ca

+

Maltogenaza L và β- amylaza là những enzim ngoại phân cắt và không phân
cắt các dextrin trước điểm phân cắt. Do vậy dịch thủy phân có độ nhớt cao.
Nếu muốn làm giảm độ nhớt phải bổ sung thêm enzim BAN 480L ở giai đoạn
đường hóa cuối cùng.
Qua bảng đặc tính trên, để phù hợp với các điều kiện thực tế tự nhiên, cũng
như các yêu cầu về sản phẩm thủy phân, chúng ta lựa chọn Fungamyl làm chế
phẩm sẽ được sử dụng trong nghiên cứu.
Fungamyl 800L là một α- amylaza từ nấm mốc. Trong cơng nghiệp tinh bột,
nó được dùng để tạo ra dịch thủy phân lên tới 60% malto. Nó cũng có khả
năng phân cắt chuỗi dextrin dài, vì vậy tạo ra dịch thủy phân có khả năng lọc
tốt và độ nhớt thấp.
Fungamyl 800L tạo ra một lượng glucoza trong quá trình đường hóa. Mức độ
tạo ra glucoza tùy thuộc vào mức độ DP2 và thường là 1- 7%. Có thể tạo ra
---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy

Điều khiển quá trình phản ứng

21

dịch malto với hàm lượng glucoza cao bằng việc sử dụng Dextrozyme GA
1.5X trong quá trình đường hóa.
Để tạo ra dịch thuỷ phân có hàm lượng maltoza < 50% thì sử dụng Fungamyl.
Quá trình thuỷ phân thuần tuý bao gồm: dịch hoá tới 10- 14 DE và sau đó là
đường hố bằng Fungamyl 800L (có thể sử dụng thêm Dextrozyme GA để
tăng hàm lượng glucoza).
Tuỳ thuộc vào hàm lượng maltoza mong muốn và thời gian đường hoá, tỷ lệ
Fungamyl biến động từ 75- 300g trên một tấn chất khơ.
Sử dụng một mình Fungamyl để có hàm lượng maltoza thấp, thì pH yêu cầu:
5,0- 6,0; để có dịch đường nghịch đảo cao, thì pH u cầu: 5,0.
Nhiệt độ yêu cầu: 550C.
Để tạo ra dịch thuỷ phân có hàm lượng maltoza cao (50- 55%) thì sử dụng kết
hợp cả Fungamyl 800L và β- amylaza
Một enzim cũng rất quan trọng trong q trình đường hố là Termamyl 120L.
Đó là chế phẩm enzim có tác dụng dịch hố, làm tăng khả năng tấn công của
enzim Fungamyl vào các liên kết của mạch tinh bột. Termamyl 120L là chế
phẩm enzim dạng nước có chứa α- amylaza, chịu được nhiệt độ cao và được
sản xuất bởi chủng men Bacillus licheniformis. Nó là một endo-amylaza,
được sử dụng trong những ngành công nghiệp: tinh bột, cồn, bia, đường, dệt.
Trong kỹ nghệ tinh bột, Termamyl được dùng cho việc dịch hoá liên tục tinh
bột. Các liên kết α 1,4- của phân tử tinh bột sẽ bị enzim phân cắt dẫn đến làm
giảm độ nhớt của tinh bột đã hồ hoá và gia tăng độ đường (DE).
Dịch hoá được diễn ra đến khi đạt được nồng độ đường (DE) cần thiết cho các
quá trình tiếp theo. Đối với sản xuất đường glucoza: DE từ 8- 12; đối với sản
xuất maltodextrin: DE từ 12 trở lên.

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

22

Termamyl rất chịu đựng tại nhiệt độ cao. Tại 1050C, nó vẫn giữ được hoạt
tính cao và có tính ổn định theo thời gian phản ứng để có thể đi qua giai đoạn
hồ hố của tinh bột mà khơng mất hoạt tính enzim một cách đáng kể. [15]
Trên những nghiên cứu tìm hiểu, nhà sản xuất chế phẩm enzim này đưa ra
một chế độ thuỷ phân tối ưu:
nồng độ tinh bột:

30- 40% độ khô

pH:

6,0- 6,5

nhiệt độ:

105/950C

thời gian phản ứng: 5 phút- 2giờ
lượng enzim sử dụng: 0,5kg Termamyl 120L trên một tấn

II.4.

Ứng dụng của sản phẩm thủy phân

Dịch thủy phân chưa triệt để gồm glucoza, maltoza, dextrin gọi chung là
maltodextrin. Dịch maltodextrin này rất dễ tiêu hoá, là nguồn năng lượng
đáng kể (4cal/g) và thuận tiện, hồ tan trong nước lạnh, có độ ngọt thấp hoặc
hầu như khơng có, là ngun liệu để sản xuất nhiều loại sản phẩm dinh dưỡng
lỏng và khơ. Cụ thể nó được ứng dụng trong các ngành:
1. Công nghiệp bánh kẹo: sử dụng làm tăng tính dẻo, ngăn ngừa sự kết tinh
và khống chế sự tan chảy, độ ngọt thấp, vị lạ, nâng cao kết cấu và kéo dài
tuổi thọ của sản phẩm (vị ngọt). Chất tạo ngọt maltodextrin này còn làm
giảm tỉ lệ mắc bệnh về răng, béo phì, áp huyết cao, và bệnh đái đường...do
chứa một lượng không đáng kể protein, chất béo hoặc chất xơ. Hỗn hợp
maltodextrin với tỷ lệ từng thành phần (malto, gluco, dextrin) khác nhau sẽ
tạo cho sản phẩm (bánh kẹo) có những tính chất phù hợp theo yêu cầu.
2. Công nghiệp nước giải khát: sử dụng làm nguyên liệu thô, sau khi trộn với
một lượng vừa phải maltodextrin sẽ làm tăng hương vị tự nhiên, làm giảm
---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

23

mất mát chất dinh dưỡng, làm khả năng hịa tan, giảm độ ngọt, giảm chi
phí và hơn thế còn làm tăng lợi nhuận kinh tế.
3. Cơng nghiệp chế tạo bao bì giấy: với lực liên kết tốt và bề mặt mịn,
maltodextrin có thể được sử dụng làm keo bề mặt và chất liên kết trong
bao bì. Đặc tính trong suốt và mềm khơng chỉ tạo điều kiện cho việc gắn
kết bề mặt mà còn tạo ra sự trong suốt của giấy bao bì, tăng cường khả
năng kết dính sợi, đồng thời cải thiện tính chất vật lý và bề ngồi của bao
bì.

4. Các ngành cơng nghiệp khác:
Maltodextrin cịn có tác dụng ổn định hệ nhũ, vì vậy có thể được sử dụng
như là chất bao phủ và hấp thụ trong ngành mỹ phẩm nhằm tăng cường
tính mềm mại và sáng bóng của làn da.

II.5.

Lý thuyết Quy hoạch thực nghiệm điều khiển quá trình

Như chúng ta đã biết, trong q trình tìm tịi các sản phẩm mong muốn, nhà
nghiên cứu sử dụng rất nhiều phương pháp khác nhau. Theo quan điểm lý
thuyết, phải nghiên cứu toàn diện cơ chế của q trình, cũng như các tính
chất, đặc điểm tác động qua lại của các phần tử trong hệ trước khi lập mơ hình
giải tích. Từ các kết quả nghiên cứu này, có thể xây dựng lý thuyết của q
trình, nhờ đó giải được mọi bài tốn.
Thơng thường các hệ cần điều khiển lại phức tạp đến mức không thể nghiên
cứu lý thuyết trong khoảng thời gian hợp lý. Càng ngày chúng ta càng thâm
nhập sâu vào nhiều lĩnh vực công nghệ và kỹ thuật khác nhau. Đối tượng
nghiên cứu ngày càng đa dạng hơn, trở thành những hệ thống cồng kềnh với
tập hợp lớn các yếu tố ảnh hưởng và chỉ tiêu đánh giá. Mối liên quan giữa
các thành phần trong hệ thống càng không thể mơ tả hồn hảo bằng các hàm

---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy


Điều khiển quá trình phản ứng

24

lý thuyết. Trong đa số các trường hợp , bài toán kiểu này được giải quyết bằng

thực nghiệm.
Ngày nay, chúng ta thường đề cập đến phương pháp kết hợp lý thuyết và thực
nghiệm. Song điều đó khơng làm giảm bớt vai trị và vị trí của nghiên cứu
thực nghiệm. Tùy theo mức độ hiểu biết về cơ chế của các quá trình. Ý nghĩa
của nghiên cứu lý thuyết thường giới hạn ở tác dụng định hướng ban đầu. Hỗ
trợ giảm bớt khối lượng công việc, rút ngắn thời gian cho nghiên cứu thực
nghiệm. Trong khi đó thực nghiệm cịn có tác dụng trở lại, bổ xung cho kết
quả nghiên cứu lý thuyết, xác định rõ hơn cơ chế của hiện tượng.
Đã có một thời gian dài, khi các phương pháp thí nghiệm cho các quá trình
phức tạp chưa được hình thức hóa, Nhà thực nghiệm chỉ dựa vào kinh nghiệm
và trực giác để chọn hướng nghiên cứu. Các thí nghiệm được tiến hành bằng
phương pháp cổ điển: lần lượt thay đổi từng thông số, trong khi giữ nguyên
các yếu tố còn lại. Các phương pháp truyền thống này chỉ cho phép tìm kiếm
các thơng số ảnh hưởng một cách riêng biệt khi làm thực nghiệm một cách
riêng rẽ theo từng yếu tố. Khi các yếu tố ảnh hưởng tăng lên nhiều lần, khối
lượng thí nghiệm bị tăng nhiều hơn với cấp số nhân.
Mặc dù có trong tay một tập hợp các phương trình thực nghiệm đơn yếu tố,
nhưng vì chúng chỉ là những trường hợp riêng nên không cho kết luận chặt
chẽ về mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố trong mối tác động qua lại giữa
chúng, cũng không thể timg kiếm phương án phối hợp tối ưu cho các yếu tố
ảnh hưởng. Phương pháp cổ điển cũng không thấy được hướng dịch chuyển
khi tìm các điều kiện của quá trình. Vì vậy chúng được gọi là “thực nghiệm
thụ động”.
Rõ ràng, cần phải xây dựng chiến lược tiến hành thực nghiệm một cách chủ
động (thực nghiệm chủ động) dựa trên cơ sở phương pháp xử lý số liệu hiện
đại.
---------------------------------------------------------------------------------------------Đặng Thanh Thủy