Nghiên cứu điều kiện thủy phân tinh bột sống từ bột sắn và khoai lang bằng enzyme
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.3 MB, 56 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN TINH
BỘT SỐNG TỪ BỘT SẮN VÀ KHOAI LANG BẰNG ENZYME
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Hà Nội – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN TINH
BỘT SỐNG TỪ BỘT SẮN VÀ KHOAI LANG BẰNG ENZYME
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
TS. Nguyễn Tiến Cường
Hà Nội - 2018
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện thủy phân tinh bột sống từ bột sắn và khoai
lang bằng enzyme".
Tác giả luận văn: Trần Đức Cường
Khóa: 2016B
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tiến Cường
Từ khóa (Keyword): Tinh bột sống, Stargen 002, bột sắn, bột khoai lang, enzyme, điều kiện thủy
phân.
Ở Việt Nam, các loại củ, ví dụ sắn hay khoai lang, là nguyên liệu đầu vào rất phù hợp bởi rất
nhiều lợi thế như cây dễ trồng đối với các loại đất và điều kiện khí hậu khác nhau; chi phí sản xuất
thấp, giá thành rẻ; nguồn cung dồi dào trong cả năm (dạng tươi hoặc khô); hàm lượng tinh bột cao;
tận dụng được phụ phẩm cho các ngành công nghệ khác. Trước thực trạng và tiềm năng ngành sắn
và khoai lang Việt Nam, phát triển sản phẩm giá trị cao từ hai loại củ này, đóng góp sản phẩm mới
cho xã hội, thúc đẩy hỗ trợ hiệu quả cho doanh nghiệp vừa và nhỏ trong nước, đồng thời giúp tạo đầu
ra vững chắc cho nguồn nguyên liệu này là nhu cầu cấp thiết hiện nay. Bằng phương pháp sử dụng
enzyme Stargen 002 thủy phân bột sắn và khoai lang tạo thành sản phẩm đường có giá trị gia tăng,
có khả năng ứng dụng cao. Nghiên cứu này tập trung khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện thủy
phân tới quá trình thủy phân tinh bột sống nhằm tìm ra điều kiện thích hợp nhất để cải thiện được
hiệu suất thu hồi sản phẩm.
Kết quả đã xác định được sự ảnh hưởng đến cấu trúc của tinh bột theo thời gian thủy phân thơng qua
chiều dài mạc trung bình giảm dần theo thời gian thủy phân (trong đó sắn thủy phân dễ dàng hơn
khoai lang); độ kết tinh của hạt tinh bột sắn và khoai lang hầu như không có sự thay đổi theo thời
gian thủy phân; số lượng các hạt tinh bột có kích thước nhỏ giảm dần và số lượng các hạt tinh bột có
kích thước lớn hơn tăng dần theo thời gian thủy phân. Ngoài ra, chúng tôi cũng xác định được sự ảnh
hưởng của điều kiện thủy phân lên hiệu suất thủy phân thông qua kết quả sau thủy phân thu được
hiệu suất cao nhất khi thủy phân ở nồng độ chất khô 10% ở nhiệt độ 50OC (= 97,51% với sắn và
93,34% với khoai lang), thấp nhất khi thủy phân ở nồng độ chất khô 30% ở nhiệt độ 30OC (= 49,71%
với sắn và 47,77% với khoai lang)
Như vậy, với mục tiêu tận dụng nhiệt độ thấp và sử dụng nồng độ cơ chất cao, thủy phân tinh
bột thu được sản phẩm chính là đường có khả năng lên men, ứng dụng vào các sản phẩm thực phẩm,
đem lại giá trị kinh tế cao, tạo thuận lợi cho việc áp dụng quy trình vào các ngành công nghiệp sinh
học thực phẩm.
0
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
LỜI CẢM ƠN
Tôi đã thực hiện luận văn này tại phịng thí nghiệm Bộ mơn Công nghệ Thực
phẩm – Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội.
Sau một thời gian làm việc, luận văn này được hoàn thành với sự ủng hộ và giúp
đỡ của rất nhiều người. Đầu tiên tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn
Tiến Cường, người thầy đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt q
trình thực hiện luận văn này. Từ đó giúp tơi trưởng thành hơn trong suốt quá trình học
tập, nghiên cứu và thêm sự chắc chắn trong cả q trình cơng tác sau này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn PGS. Lương Hồng Nga, Th.S Nguyễn Thị Hồi
Đức và phịng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ thực phẩm đã luôn tạo điều kiện giúp
đỡ về phương pháp thí nghiệm cũng như cơ sở vật chất cho tôi trong suốt thời gian
thực hiện đề tài này.
Đồng thời, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong Viện Công
nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã luôn hết
lòng chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong thời gian qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã ln bên cạnh động viên, khích lệ
tinh thần trong suốt thời gian học tập và làm việc vừa qua.
Trong luận văn này, mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng cũng vẫn không thể tránh
được những lỗi sai và thiếu sót. Kính mong thầy cơ và bạn đọc góp ý chân thành để
bài luận của tơi được hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cám ơn!
Hà Nội, Ngày 25 tháng 10 năm 2018
Học viên thực hiện
Trần Đức Cường
1
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................0
MỤC LỤC ...................................................................................................................2
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................5
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................6
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN......................................................................................8
1.1
Tổng quan về đường glucose ...................................................................8
1.1.1
Glucose ......................................................................................................8
1.1.2
Quá trình sản xuất glucose hiện hành từ tinh bột ................................10
1.2
Quá trình thủy phân tinh bột dưới nhiệt độ hồ hóa ...........................12
1.2.1
Tinh bột ....................................................................................................12
1.2.2
Quá trình thủy phân tinh bột dưới nhiệt độ hồ hóa ..............................14
1.3
Sắn và khoai lang ...................................................................................16
1.3.1
Sắn ...........................................................................................................16
1.3.2
Khoai lang ...............................................................................................19
1.4
Các nghiên cứu về quá trình thủy phân tinh bột chưa hồ hóa ..........22
1.5
Mục tiêu nghiên cứu...............................................................................24
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................25
2.1.
Vật liệu nghiên cứu ................................................................................25
2.1.1
Bột sắn, khoai lang .................................................................................25
2.1.2
Enzyme .....................................................................................................25
2
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
2.1.3.
Hóa chất...................................................................................................25
2.1.4.
Thiết bị .....................................................................................................25
Phương pháp nghiên cứu.......................................................................26
2.2
2.2.1 Xác định độ ẩm của bột nguyên liệu ......................................................26
2.2.2 Phương pháp xác định độ tro...................................................................26
2.2.3 Phương pháp xác định độ xơ ...................................................................27
2.2.4 Xác định hàm lượng protein theo phương pháp Kjeldahl ....................27
2.2.5 Xác định hàm lượng tinh bột ..................................................................28
2.2.6 Xác định hàm lượng đường khử ............................................................29
2.2.9 Xác định độ kết tinh bằng phương pháp X-Rays...................................30
2.2.10
Xác định chiều dài mạch trung bình (DP) .......................................31
2.2.11
Xác định kích thước hạt bằng tán xạ laser (DLS) ...........................33
2.3
Bố trí thí nghiệm ....................................................................................34
2.3.1
Ảnh hưởng của quá trình thủy phân tới cấu trúc tinh bột ...................35
2.3.2
Ảnh hưởng của điều kiện thủy phân lên hiệu suất thủy phân .............35
2.3.2.1
Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình thủy phân ...............................35
2.3.2.2
Ảnh hưởng của nồng độ chất khô tới quá trình thủy phân.................35
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..........................................................36
3.1
Thành phần nguyên liệu ........................................................................36
3.2
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của quá trình thủy phân tới cấu trúc tinh
bột
37
3.2.1
Sự ảnh hưởng tới chiều dài mạch trung bình (DP) ..............................37
3.2.2
Sự ảnh hưởng tới độ kết tinh (crystallinity) ...........................................38
3
LUẬN VĂN THẠC SĨ
3.2.3
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
Sự thay đổi kích thước và hình dạng hạt bột theo thời gian thủy phân
39
3.3
Ảnh hưởng của điều kiện thủy phân lên hiệu suất thủy phân ...........42
3.3.1
Ảnh hưởng của nhiệt độ .........................................................................42
3.3.2
Ảnh hưởng của nồng độ chất khô ..........................................................45
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..........................................................50
4.1.
Kết luận ...................................................................................................50
4.2
Kiến nghị .................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................51
4
ḶN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc khơng gian của glucose ............................................................ 9
Hình 1. 2: Sơ đồ quy trình sản xuất đường glucose từ tinh bột .......................... 11
Hình 1.3: Cấu tạo hóa học của tinh bột................................................................. 13
Hình 1. 4: Cấu trúc của Amylose và Amylopectin ............................................... 14
Hình 1.5: Hình ảnh tinh bột ngơ trong q trình thủy phân khơng gia nhiệt .. 16
Hình 1.6: Sắn và bột sắn ......................................................................................... 17
Hình 1.7: Hình dạng tinh bột sắn .......................................................................... 19
Hình 1.8: Khoai lang và bột khoai lang ................................................................ 20
Hình 2.1: Ngun tắc xác định độ phân bố kích thước hạt bột .......................... 34
Hình 2.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm .......................................................................... 34
Hình 3. 1: Sự thay đổi phân bố kích thước hạt trong q trình thủy phân bột
sắn ............................................................................................................................. 40
Hình 3.2: Sự thay đổi phân bố kích thước hạt trong quá trình thủy phân bột
khoai lang ................................................................................................................. 41
Hình 3. 3: Sự thay đổi phân bố kích thước hạt quan sát dưới kính hiển vi....... 42
Hình 3. 4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân bột sắn ................ 44
Hình 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân bột khoai lang .... 45
Hình 3.6: Ảnh hưởng của nồng độ chất khô đến hiệu suất thủy phân bột sắn . 46
Hình 3.7: Ảnh hưởng của nồng độ chất khô đến hiệu suất thủy phân bột khoai
lang (ở nhiệt độ 50℃) .............................................................................................. 46
5
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Một số chỉ tiêu chất lượng sản phẩm đường glucose .......................... 11
Bảng 1.2: Thành phần hóa học tính trong 100g bột sắn...................................... 18
Bảng 1.3: Đặc điểm của tinh bột sắn ..................................................................... 19
Bảng 1. 4: Một số nghiên cứu của các tác giả về thủy phân tinh bột sống ........ 22
Bảng 3.1: Thành phần ban đầu của nguyên liệu bột sắn, khoai lang................. 36
Bảng 3. 2: Chiều dài mạch theo thời gian thủy phân của bột sắn và khoai lang
................................................................................................................................... 37
Bảng 3.3: Độ kết tinh (%) theo thời gian thủy phân của tinh bột sắn và khoai
lang............................................................................................................................ 38
Bảng 3. 4: Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất và nhiệt độ đến hiệu suất thủy phân
bột sắn....................................................................................................................... 48
Bảng 3. 5: Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất và nhiệt độ đến hiệu suất thủy phân
bột khoai lang .......................................................................................................... 48
6
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
LỜI MỞ ĐẦU
Việc chuyển hóa tinh bột thành các sản phẩm giá trị gia tăng (như đường,
cồn….) đã được thực hiện từ nhiều thế kỷ. Trong những năm gần đây, các ngành công
nghiệp tập trung hơn vào việc thực hiện các biện pháp cắt giảm chi phí để duy trì lợi
nhuận trong thời kỳ suy thoái kinh tế. Một trong những biện pháp hữu hiệu được đưa
ra là tiến hành phản ứng ở nồng độ chất khô cao và nhiệt độ thấp. Công nghệ này đã
được áp dụng phổ biến cho các loại hạt nhưng khá hiếm cho các loại củ mà các nguyên
liệu từ củ ln có nguồn cung dồi dào và ít tác động đến an ninh lương thực. Ở Việt
Nam, các loại củ, ví dụ sắn hay khoai lang, là nguyên liệu đầu vào rất phù hợp bởi rất
nhiều lợi thế như cây dễ trồng đối với các loại đất và điều kiện khí hậu khác nhau; chi
phí sản xuất thấp, giá thành rẻ; nguồn cung dồi dào trong cả năm (dạng tươi hoặc
khô); hàm lượng tinh bột cao; tận dụng được phụ phẩm cho các ngành cơng nghệ
khác. Ước tính sản lượng sắn cả nước năm 2015 đạt 10,7 triệu tấn, tăng 4,64% so với
năm 2014. Việt Nam hiện nay là nước xuất khẩu lớn thứ hai về sắn (sắn lát và tinh
bột), sau Thái Lan. Bên cạnh cây sắn, khoai lang cũng đang được chú trọng canh tác
ở hầu hết các vùng. Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn ước tính sản lượng
khoai lang cả nước năm 2015 đạt 1,45 triệu tấn, tăng 3,5% so với năm 2014. Khoai
lang chủ yếu được trồng để lấy củ dùng làm thức ăn cho người. Trước thực trạng và
tiềm năng ngành sắn và khoai lang Việt Nam, phát triển sản phẩm giá trị cao từ hai
loại củ này, đóng góp sản phẩm mới cho xã hội, thúc đẩy hỗ trợ hiệu quả cho doanh
nghiệp vừa và nhỏ trong nước, đồng thời giúp tạo đầu ra vững chắc cho nguồn nguyên
liệu này là nhu cầu cấp thiết hiện nay.
Tóm lại các nghiên cứu trước ở Việt Nam cũng như quốc tế ít đề cập đến nguồn
nguyên liệu từ củ; ảnh hưởng của nồng độ chất khô cao đến các biến đổi động học đặc
biệt là các đại lượng hóa lý như đặc tính lưu biến, kích thước hạt còn ít được đề cập;
việc kiểm sốt động học q trình thủy phân cịn hạn chế; việc ức chế ngược do sản
phẩm tạo ra gần như chưa được nghiên cứu đến. Với mục tiêu tận dụng triệt để hai ưu
điểm lớn của quy trình là ít tiêu thụ năng lượng (thủy phân ở nhiệt độ thấp) và nồng
độ cơ chất sử dụng cao; nhằm cải thiện hiệu suất thu hồi sản phẩm, tạo thuận lợi cho
việc ứng dụng quy trình vào các ngành cơng nghiệp sinh học thực phẩm, đề tài tập
trung nghiên cứu “Nghiên cứu điều kiện thủy phân tinh bột sống từ bột sắn và khoai
lang bằng enzyme”.
7
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về đường glucose
1.1.1 Glucose
Glucose là một loại glucid (hay carbohydrate) đơn giản nhất (monosaccharide) phổ
biến ở động vật và cả thực vật. Nó có nhiều trong quả nho chín nên còn được gọi là
đường nho. Glucose có trong cơ thể người và động vật, trong máu người có khoảng
0,1% glucose (về khối lượng) và trong mật ong có 30% glucose.
Trong cơ thể người, glucose là nguồn năng lượng chủ yếu và trực tiếp của cơ thể,
được dự trữ ở gan dưới dạng glycogen, là thành phần tham gia vào cấu trúc của tế bào
(ARN và ADN) và một số chất đặc biệt khác (Mucopolysaccharid, hesparin, acid
hyaluronic, chondroitin…). Phần lớn cacbohydrat đưa vào cơ thể được chuyển hóa
thành glucose để cung cấp năng lượng cho các hoạt động của cơ thể.
Glucose có cấu tạo phân tử C6H12O6 có ba dạng công thức cấu tạo gồm một dạng
mạch hở và hai dạng mạch vòng (α và β). Khi hòa tan trong nước tạo thành dung dịch
glucose có sự cân bằng, chuyển hóa qua lại và tồn tại cả 3 dạng cấu tạo nhưng chỉ có
dạng vịng bền hơn nên xuất hiện nhiều hơn.
Dung dịch glucose làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực sang phải nên cũng có
tên là dextrose.
Hai dạng α và β-D-glucose có độ quay cực khác hẳn nhau. Dạng α-D-glucose có độ
quay cực bằng +115O cịn β-D-glucose có độ quay cực bằng +19O. Khi đem hòa tan
một trong các dạng trên vào nước sẽ có biến đổi quay cực và dần dần đạt tới giá trị
không đổi là +52,5O
Trong dung dịch, glucose tồn tại chủ yếu ở dạng pyranose, là thành phần cấu tạo của
rất nhều loại polysaccharide như tinh bột, glycogen, xenlulose…
8
ḶN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
Hình 1.1: Cấu trúc khơng gian của glucose
Glucose là một chất rắn, kết tinh, không màu, có nhiệt độ nóng chảy ở 146°C, hịa tan
nhiều trong nước, có vị ngọt, nhưng khơng ngọt bằng đường mía. Glucose có độ ngọt
bằng 0,6 lần so với đường mía.
Giống như các đường đơn giản khác, glucose bị lên men bởi nấm men và các chủng
vi sinh vật khác nhanh hơn so với các nguồn cơ chất khác. Glucose lên men tạo thành
cồn và một số sản phẩm phụ khác phụ thuộc chủng nấm men hay vi sinh vật sử dụng
nên đây là một nguyên liệu quan trọng cho ngành sản xuất ethanol nhiên liệu. Khi khử
glucose sẽ thu được rượu tương ứng gọi là sorbitol.
Nếu đường tồn tại ở trạng thái vơ định hình sẽ hấp thụ nước tăng nhanh quá trình kết
tinh đường và làm cho chế phẩm trở nên dính hơn
Trong cơng nghiệp, glucose có rất nhiều ứng dụng quan trọng như:
• Trong cơng nghiệp Thực phẩm: Glucose là nguyên liệu cho ngành công nghệ
lên men (sản xuất bia, đồ uống có cồn…), sản xuất bánh kẹo, nước giải khát…
• Trong sản xuất bánh mỳ, glucose được sử dụng để tăng khả năng lên men, tăng
màu sắc, mùi vị và cải thiện cấu trúc cho sản phẩm.
9
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
• Trong sản xuất các loại bánh ngọt, bánh quy, glucose được bổ sung để kiểm
sốt vị ngọt, tăng cường mùi vị và màu sắc.
• Trong sản xuất kẹo, glucose giúp tạo vị ngọt, độ mềm và hạn chế hiện tượng
kết tinh lại đường. Sử dụng kết hợp glucose và saccharose giúp tăng cường
hương vị, cải thiện màu sắc và độ bóng cho sản phẩm.
• Trong sản xuất các sản phẩm đồ hộp như nước chấm, mứt quả, nước sốt,
glucose giúp tạo vị ngọt, làm cải thiện cấu trúc, màu sắc cho sản phẩm…
• Trong các ngành công nghiệp khác như dược phẩm, sản xuất ethanol nhiên
liệu…
• Trong dược phẩm, glucose dùng để truyền tĩnh mạch, hay bổ sung vào các loại
thuốc viên, thuốc bột… Ngoài ra, glucose là chất cần thiết bổ sung vào các môi
trường nuôi vi sinh vật, là đường dễ lên men tạo rượu, axit acetic, axit lactic,
các axit hữu cơ khác như axit glutamic, axit citric,..
• Trong sản xuất ethanol nhiên liệu, glucose là nguyên liệu quan trọng, là cơ chất
giúp quá trình lên men nhanh do phân tử lượng của glucose nhỏ (chỉ bằng một
nửa so với saccharose ở cùng một khối lượng sử dụng).
1.1.2 Quá trình sản xuất glucose hiện hành từ tinh bột
Dưới đây là 1 phương pháp hiện hành được ứng dụng để chuyển hóa tinh bột thành
gluco qua 2 giai đoạn cơ bản dịch hóa và đường hóa:
Dịch tinh bột
(30% w/v)
10
Dịch hóa 95-100℃, t=2h
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
Sử dụng nhiều
năng lượng, thiết
bị
Thủy phân tinh
bột ở nhiệt độ
thấp (tinh bột
chưa hồ hóa)
Johnson et al. -2009
Hình 1. 2: Sơ đồ quy trình sản xuất đường glucose từ tinh bột
Dịch tinh bột trước tiên phải trải qua giai đoạn dịch hóa ở nhiệt độ 95-100OC trong
2h bằng enzyme α-amylase để phân cắt các mạch amylose và amylopectin thành các
dextrin mạch ngắn có khả năng hòa tan, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình đường
hóa. Sau đó, dịch tinh bột được làm nguội và trải qua giai đoạn đường hóa ở nhiệt độ
60-65OC, pH 5 trong 72h để enzyme glucoamylase cắt các mạch dextrin thành các
đơn phân đường glucose. Dung dịch được xử lý màu và sấy phun tách ẩm tự do tạo
thành sản phẩm đường glucose.
Bảng 1.1: Một số chỉ tiêu chất lượng sản phẩm đường glucose
Các chỉ tiêu
Đường tiêm
Đường ăn
11
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
Độ ẩm (%)
≤ 9.0
≤ 9.0
Độ tinh khiết (DE)
99.9
99.7
Tro (%)
≤ 0.1
≤ 0.1
Các acid vô cơ, kim loại Không cho phép
nặng và tạp chất
Không cho phép
Độ acid (ml)
< 0.1
< 0.1
Độ màu (mau)
<3
Độ trong
<4
Trong sơ đồ quy trình trên, ta có thể nhận thấy q trình dịch hóa và đường hóa
đều diễn ra ở nhiệt độ cao, do đó dẫn đến việc phải tiêu tốn nhiều năng lượng, thiết bị
hơn để duy trì hoạt động cho hai quá trình đó. Chính vì vậy, đề tài tập trung nghiên
cứu để đi theo một hướng mới nhằm giảm được lượng năng lượng phải sử dụng trong
sản xuất glucose, đó là thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp dưới nhiệt độ hồ hóa bằng
enzyme.
1.2 Q trình thủy phân tinh bột dưới nhiệt độ hồ hóa
1.2.1 Tinh bột
- Tinh bột: là nhóm Cacbonhydrat ở thực vật, có chủ yếu trong các loại củ như
khoai lang, khoai tây, sắn..., trong các hạt ngũ cốc, các loại hạt và có cơng thức tổng
qt là (C6H12O6)n. Hạt tinh bột có hình dáng rất khác nhau với kích thước từ 2 đến
15μm. Tinh bột khơng nước có khối lượng riêng khoảng 1,633 – 1,648g/mL.
12
ḶN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
Hình 1.3: Cấu tạo hóa học của tinh bột
Tinh bột là chất keo háo nước điển hình cấu tạo từ amylose – mạch thẳng và
amylopectin. Tỷ số amylose và amylopectin trong tinh bột thường vào khoảng 1 : 4.
Cả hai đều tạo những gốc α-D-glucose. Amylose có cấu tạo mạch thẳng. Chúng được
liên kết bởi các nối α -1,4 glucozit và α -1,6 glucozit nên tạo thành nhiều nhánh. Ngoài
amylose và amylopectin trong tinh bột còn có chứa một lượng nhỏ các chất khác như
muối khoáng, chất béo, protit... Hàm lượng chung của chúng khoảng 0,2 – 0,7%.
Tinh bột không hòa tan trong nước lạnh, trong rượu và ete. Amylose dễ tan
trong nước nóng và tạo nên độ nhớt của dung dịch. Amylopectin khi hòa tan trong
nước nóng tạo dung dịch rất nhớt.
Trong nước nóng tinh bột sẽ hút nước trương nở và tạo dạng gel. Mức độ trương
của tinh bột phụ thuộc nhiệt độ. Khi tăng dần nhiệt độ, dịch tinh bột sẽ biến thành
dạng keo và gọi là hồ tinh bột. Nhiệt độ làm cho hồ tinh bột có độ nhớt cực đại gọi là
nhiệt độ hồ hóa của tinh bột. Trong thực tế luôn luôn tồn tại một giới hạn nhiệt độ hồ
hóa, vì tinh bột của ngun liệu bất kì đều gồm nhiều hạt có kích thước khác nhau.
+ Amylose: có cấu tạo chuỗi không phân nhánh, mạch thẳng cấu tạo từ các gốc
α –D-glucopyranosyl, liên kết với nhau bởi gốc α -1,4-glucoside, dài khoảng 300 –
1000 gốc glucose, xoắn theo chiều lò xo mỗi xoắn có 6 gốc glucose tạo thành hình lục
giác. Cấu trúc xoắn được giữ vững nhờ các liên kết hidro được tạo thành giữa các
nhóm -OH tự do. Bên trong xoắn có thể kết hợp với các nguyên tử khác. Cùng với
amylopectin, các phân tử amylose tham gia tạo nên cấu hình hạt tinh bột ở thực vật.
Ví dụ, Amylose tạo thành màu xanh khi tác dụng với Iodine, nếu đun nóng liên kết
hidro bị cắt đứt, chuỗi amylose bị duỗi thẳng do bị tách ra khỏi amylose dung dịch
mất màu xanh.
13
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
Amylose thường được phân bố ở phần bên trong của hạt tinh bột. Dung dịch
amylose có độ nhớt thấp hơn dung dịch amylopectin. Amylose bị kết tủa bởi ancol
butylic.
+ Amylopectin: Là một polyme mạch nhánh, được cấu tạo từ các gốc α –Dglucopyranosyl liên kết với nhau bởi α -1,4 và α -1,6-glucozit. Mức độ polyme hóa tử
amylopectin có thể lên đến giá trị hàng triệu. Cấu trúc phân mạch của nó bao gồm 1
nhánh trung tâm ( chứa liên kết 1-4 ) từ nhánh này phát ra các nhánh phụ có chiều dài
khoảng vài chục gốc glucose . Khối lượng phân tử của amylopectin khoảng 500000 1 triệu. Amylopectin được phân bố mặt ngoài hạt tinh bột. Dung dịch amylopectin có
độ nhớt cao, khi đun nóng làm thay đổi sâu sắc và khơng thuận ngịch cấu trúc phân
tử amilopectin gây ra trạng thái hồ hố tinh bột. Tinh bột có thể bị thuỷ phân dưới tác
dụng của Enzyme Amylase hoặc acid tạo thành các sản phẩm có khối lượng phân tử
thấp hơn gọi là dextrin. Các dextrin này có thể bị thuỷ phân hồn toàn tạo thành các
gốc glucose. Như vậy sản phẩm thuỷ phân hoàn toàn tinh bột là glucose tuy nhiên ở
những điều kiện xác định, dưới tác dụng của Enzyme disaccharit mantose lại là sản
phẩm chủ yếu trong sản phẩm thuỷ phân tinh bột.
Hình 1. 4: Cấu trúc của Amylose và Amylopectin
1.2.2 Quá trình thủy phân tinh bột dưới nhiệt độ hồ hóa
- Q trình thủy phân: Q trình phân giải một hợp chất hóa học có phân tử lượng
cao, với sự tham gia của nước để tạo ra những hợp chất hóa học mới có phân tử lượng
thấp hơn. Trong cơng nghiệp thực phẩm, để q trình thủy phân xảy ra nhanh và hiệu
quả cao, các nhà sản xuất luôn sử dụng chất xúc tác.
14
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
- Cơ chế thủy phân tinh bột sống: Khi chưa hồ hóa, tinh bột tồn tại dưới các dạng
có cấu trúc bán tinh thể. Các hạt tinh bột này không tan trong nước và bền vững với
nhiều hợp chất hóa học cũng như enzyme. Hồ hóa tinh bột bằng nhiệt giúp các phản
ứng dịch hóa, đường hóa xảy ra dễ dàng hơn và được dùng như một q trình bắt buộc
trong cơng nghiệp sản xuất các sản phẩm thủy phân tinh bột, tuy nhiên chi phí cho
q trình hồ hóa tinh bột bằng nhiệt rất tốn kém nên việc nghiên cứu quá trình thủy
phân tinh bột ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hồ hóa đang rất được quan tâm.
Cơ chế của quá trình thủy phân tinh bột chưa hồ hóa được nghiên cứu tương đối đầy
đủ cho nồng độ chất khô thấp và nguyên liệu từ các loại hạt ngũ cốc như ngô, lúa mỳ,
lúa mỳ lai, lúa mạch. Khi đó tinh bột khơng tan trong nước nên các enzyme phải hoạt
động trên pha rắn. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, enzyme đầu tiên hấp phụ lên bề mặt
hạt tinh bột sau đó phân cắt bề mặt tinh bột tạo thành các đường đơn. Mức độ hấp phụ
cao ở những vùng tinh bột có cấu trúc vơ định hình.
Theo (Vidal. 2009), cơ chế của q trình thủy phân tinh bột chưa hồ hóa dưới tác dụng
của enzyme được mô tả bằng các bước sau: (i) sự hấp phụ ngẫu nhiên của các enzyme
lên bề mặt hạt tinh bột, (ii) xảy ra sự thủy phân tinh bột tại các điểm hấp phụ, (iii) xảy
ra sự thủy phân từ bề mặt hấp phụ đến trung tâm của các hạt, (iv) thủy phân bên trong
các hạt.
Theo nghiên cứu của hãng Dupont, một số chế phẩm enzyme của hãng có thể được
sử dụng trong sản xuất cồn theo cơng nghệ tiết kiệm năng lượng (hồn tồn khơng gia
nhiệt) đối với các nguyên liệu như ngô (Stargen 001), mạch đen, lúa mì, đại mạch
(Stargen 002). Nghiên cứu của (Xu. 2010) cho thấy có thể sử dụng enzyme thế hệ mới
để sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khơ cao một cách có hiệu quả đối với
ngun liệu bo bo. Thật vậy, kiểm soát nhiệt độ hợp lý kết hợp sử dụng enzyme thủy
phân tinh bột sống (Stargen) có thể nâng cao đáng kể hiệu quả quá trình lên men.
Nồng độ cồn có thể đạt tới 20% (v/v) sau 90h lên men có sử dụng nấm men khô
thương phẩm với dịch được chuẩn bị từ bo bo có nồng độ chất khơ ban đầu là 35%.
Chế phẩm Stargen hấp phụ trên bề mặt hạt tinh bột, phân cắt và mở rộng các lỗ trên
bề mặt hạt tinh bột, giải phóng ra glucose liên tục, tạo điều kiện cho q trình dịch
hóa, đường hóa và lên men đồng thời mà khơng cần tiêu tốn năng lượng.
Hình 1. 5 đưa ra ví dụ minh họa cho hình ảnh tinh bột ngơ trong q trình thủy phân
khơng gia nhiệt. (Uthumporn. 2010)
15
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
Hình 1.5: Hình ảnh tinh bột ngơ trong q trình thủy phân khơng gia nhiệt
1.3 Sắn và khoai lang
1.3.1 Sắn
(Uthumporn et al. 2010)
Cây sắn (hay Manihot esculenta) có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của châu Mỹ La tinh
16
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
Hình 1.6: Sắn và bột sắn
Sắn được sử dụng khá phổ biến để sản xuất tinh bột, đây là nguồn nguyên liệu cho
nhiều ngành công nghiệp như dệt, thực phẩm, may mặc, sản xuất lên men cồn, acid
hữu cơ….
Sắn là loại cây lương thực quan trọng ở nhiều nước trên thế giới. Sắn có xuất xứ từ
Trung-Nam Mỹ. Sau đó phát triển sang châu Phi, châu Á. Cùng với sự phát triển của
nhiều ngành công nghiệp cây sắn ngày càng trở nên có giá trị kinh tế cao
Hiện nay sắn được trồng ở hơn 100 quốc gia trên thế giới với diện tích khoảng 18,96
triệu ha. Năm 2006 sản lượng sắn thế giới đạt 211,26 triệu tấn củ tươi, nhưng đến năm
2007 sản lượng sắn trên thế giới đạt 226,34 triệu tấn. Như vậy, sản lượng sắn thế giới
tăng 15,08 triệu tấn.
Sắn được trồng nhiều nhất tại châu Phi khoảng 11,82 triệu ha (chiếm 57% diện tích
sắn tồn cầu), tiếp theo là châu Á 3,78 triệu ha (chiếm 25%), châu Mỹ La Tinh 2,7
triệu ha (chiếm 18%). Nước có sản lượng sắn lớn nhất thế giới là Nigeria 45,72% triệu
tấn, tiếp theo là Thái Lan 22,58 triệu tấn, Indonesia 19,92 triệu tấn.
Việt Nam hiện đang sản xuất hằng năm hơn 2 triệu tấn sắn củ tươi, đứng thứ 11 trên
thế giới về sản lượng sắn, nhưng lại là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng thứ 3 trên
thế giới sau Thái Lan và Indonesia. Trong chiến lược toàn cầu cây sắn đang được xem
là một loại cây lương thực dễ trồng, thích hợp với những vùng đất cằn cỗi, đây cũng
là cây công nghiệp triển vọng có khả năng cạnh tranh với nhiều loại cây trồng khác
nhau.
17
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
Ở nước ta, cây sắn đang chuyển đổi nhanh chóng đóng vai trò là cây công nghiệp. Sự
hội nhập đang mở rộng thị trường sắn, tạo nên những cơ hội chế biến tinh bột, tinh
bột biến tính bằng hóa chất và enzym, sản xuất sắn lát, sắn viên để xuất khẩu và sử
dụng trong công nghiệp thực phẩm, trong sản xuất thức ăn gia súc và làm nguyên liệu
cho nhiều ngành công nghiệp thực phẩm, trong sản xuất thức ăn gia súc và làm nguyên
liệu cho nhiều ngành cơng nghiệp khác, góp phần vào sự phát triển kinh tế của đất
nước.
Tinh bột sắn ở Việt Nam đã trở thành một trong bảy mặt hàng xuất khẩu mới có triển
vọng được chính phủ và các địa phương quan tâm. Hiện nay cả nước có 53 nhà máy
chế biến tinh bột sắn hoạt động và 7 nhà máy đang được xây dựng.
Tinh bột là thành phần quan trọng của củ sắn, nó quyết định giá trị sử dụng của chúng.
Hạt tinh bột hình trống, đường kính khoảng 35 micromet
Ngồi ra, trong sắn cịn có các chất: đạm, muối khoáng, lipit, xơ và một số vitamin
B1, B2.
Bảng 1.2: Thành phần hóa học tính trong 100g bột sắn
STT
Thành phần
Khối lượng
1
Nước
60-62 (g)
2
Protein
0.8-2.5 (g)
3
Lipid
0.2-0.3 (g)
4
Tinh bột
18-25 (g)
5
Cellulose
1.1-1.7 (g)
6
Vitamin và
muối
khoáng
Ca
P
B1
B2
18
18.8-22.5 (mg)
22,5-25.4 (mg)
0,02 (mg)
0.02 (mg)
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
Bảng 1.3: Đặc điểm của tinh bột sắn
Tinh bột (%
theo tinh bột)
18-25
Hàm lượng Amylose
(% theo tinh bột)
20
Nhiệt độ hồ
hóa OC
52-64
Kích thước hạt
tinh bột (nm)
15-80
Hình
dạng
Trịn
Hình 1.7: Hình dạng tinh bột sắn
Tinh bột sắn là nguồn nguyên liệu trong các ngành kỹ nghệ nhẹ, ngành làm giấy,
ngành làm đường dùng hóa chất hay men thực vật để chuyển hóa tinh bột sắn thành
đường mạch nha hay gluco. Rượu và cồn đều có thể sử dụng sắn làm nguyên liệu
chính. Tinh bột sắn được dùng trong chế biến gia vị, nước sốt với danh nghĩa là chất
làm đặc tạm thời để giữ cho huyền phù được đồng nhất. Là nguồn cung cấp nhiều
năng lượng cho cơ thể. Nó còn là một nguồn cung cấp Kali và chất xơ. Sắn giúp duy
trì quá trình cân bằng hàm lượng nước trong máu.
1.3.2 Khoai lang
Khoai lang thuộc chi Ipomoea, họ Convolvulaceae có mặt ở Trung Mỹ và những năm
2600 đến 1000 trước Cơng Ngun, nó được phổ biến rất sớm trong khu vực này, bao
gồm cả khu vực Caribe. Nó cũng đã được biết tới trước khi có sự thám hiểm của người
phương tây tới Polynesia, sau đó nó phổ biến sang các nước khác ở châu Âu như Tây
Ban Nha, Bồ Đào Nha, châu Á như Ấn Độ, Trung Quốc, Philippin, Indonesia, Việt
Nam….
19
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
Hình 1.8: Khoai lang và bột khoai lang
Ngày nay, khoai lang được trồng rộng khắp trong các khu vực nhiệt đới và ôn đới ẩm
với lượng nước đủ để hỗ trợ sự phát triển của nó.
Ở Việt Nam khoai lang trồng rất phổ biến, trước đây chủ yếu ở đồng bằng các vùng
đất bãi ven sông, nay khoai lang đã được trồng nhiều cả các vùng đồi, trung du từ Bắc
vào Nam.
Khoai lang không chịu được sương giá. Nó phát triển tốt nhất ở nhiệt độ trung bình
khoảng 24OC. Phụ thuộc vào giống cây trồng và các điều kiện khác, các rễ củ sẽ phát
triển đầy đủ trong vòng từ 2 đến 9 tháng.
Trung Quốc là quốc gia trồng nhiều khoai lang nhất: chiếm tới 80% sản lượng toàn
thế giới (với sản lượng năm 1900 là 130 triệu tấn; bằng khoảng một nửa sản lượng
khoai tây của quốc gia này). Trong quá khứ, phần lớn khoai lang tại Trung Quốc được
trồng để làm lương thực, nhưng ngày nay phần lớn (60%) được trồng để nuôi lợn.
Phần còn lại được dùng làm lương thực hay chế biến các sản phẩm khác cũng như để
xuất khẩu, chủ yếu là sang Nhật Bản. Tại Trung Quốc hiện nay có trên 100 giống
khoai lang.
Khoai lang là loại cây lương thực đứng hạng thứ năm trên thế giới sau cây lúa, lúa mì,
bắp và sắn. Khoai lang được canh tác ở trên 100 nước trên thế giới, tập trung ở những
nước có thu nhập thấp, được canh tác ở vùng đói nghèo, trên đất đồi phân tán nên
năng suất và thu nhập không đáng kể. Sản lượng khoai lang trên thế giới hàng năm
ước khoảng 133 triệu tán, tập trung ở Trung Quốc 100 triệu tấn, chiếm 82% sản lượng
20
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
khoai lang trên toàn thế giới, còn lại là Nigeria (3,2 triệu tấn), Uranda (2,6 triệu tấn),
Indonesia (1,8 triệu tấn), Việt Nam (1,5 triệu tấn) và Nhật Bản (1,1 triệu tấn)
Các thành phần hóa học của các củ không cố định mà thường thay đỏi tùy thuộc giống
cây trồng, khí hậu, thổ nhưỡng, điều kiện canh tác v.v…
Từ Châu (1994) đã phân tích 790 mẫu xuất xứ, hàm lượng tinh bột thô 37,6 - 77,8%.
Trung tâm nghiên cứu và phát triển rau châu Á (1992) phân tích 1600 mẫu xuất xứ,
tỷ lệ chất khơ khoai lang 12,74 - 41,2%, hàm lượng tinh bột của khoai khơ 44,59 78,02%
Bradbury và Hallooway(1988) phân tích 164 giống khoai lang của 5 nước châu ÁThái Bình Dương, hàm lượng tinh bột khoai lang tươi 5,3-28,4%
Ngoài tinh bột, khoai lang còn chứa nhiều chất dinh dưỡng khác: đường hòa tan 3%,
protein 2%, vitamin 0,5%, 100g khoai lang tươi có 0,2g chất béo, 0,9g muối vô cơ,
Caroten 1,31g, vitamin C 30mg, vitamin B1 0,04mg, axit nicotinic 0,5mg. Khoai lang
chứa nước 67%
Tinh bột khoai lang có hình bầu dục, kích thước hạt khoảng 5-50nm, hàm lượng
amiloza 20%
Khoai lang có rất nhiều giá trị sử dụng:
- Khoai lang chứa loại protein độc đáo có hiệu quả chống oxy hóa
- Khoai lang là một chất liệu dinh dưỡng có giá trị
- Giàu chất chống oxy hóa, khoai lang là thực phẩm chống viêm
- Chiết xuất từ khoai lang trắng có thể trị biểu tiểu đường
- Khoai lang được coi là một loại thực phẩm giúp giảm cân rất tốt
- Khoai lang còn là một nguyên liệu sản xuất ethanol
21
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN ĐỨC CƯỜNG
1.4 Các nghiên cứu về q trình thủy phân tinh bột chưa hồ hóa
Bảng 1. 4: Một số nghiên cứu của các tác giả về thủy phân tinh bột sống
Tác giả
Textor et al.
(1998)
Rattanachomsri et
al. (2009)
Li et al. (2014)
Blazek and
Gilbert (2010)
Uthumporn et al.
(2010)
Chen and Zhang
(2012)
Li et al. (2012)
Cơ chất
Điều kiện
thủy phân
Enzyme
Hiệu suất
(%)
Lúa mỳ
3%, 45°C,
pH 4.5, 3h
α-Amylases từ A.
oryzae, Bacillus và
malt đại mạch
98
4%w/w,
Sắn
40°C, pH 5.0, Dịch chiết từ A. niger
48h
30%w/v,
Ngô
32°C, pH 4.2,
STARGEN 001
24h
30%w/w,
Pancreas α-amylase
Lúa mỳ,
37°C, pH 6.0, và glucoamylase từ A.
ngô
24h
niger
25%w/v,
Ngô, sắn 35°C, pH 4.4,
STARGEN 001
24h
25%w/v,
Chế phẩm
Ngô
50°C, pH 4.6, glucoamylase từ A.
8h
niger
Tiểu hắc
mạch,
ngô
30%w/w,
30°C, 96h
STARGEN 002
91
38
48 (lúa
mỳ), 50
(ngô)
53 (ngô),
35 (sắn)
12
64 (tiểu hắc
mạch), 60
(ngô)
Theo bảng 1.4, ta nhận thấy được các nghiên cứu của các tác giả đều có mục
tiêu chung là sử dụng enzyme thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp dưới nhiệt độ hồ hóa.
Khác với q trình thủy phân thơng thường phải trải qua giai đoạn hồ hóa để hạt tinh
bột ngậm nước trương nở, làm thẳng mạch tinh bột và sau đó ở giai đoạn dịch hóa
enzyme phân cắt vào mạch tạo glucose và dextrin, cơ chế của quá trình thủy phân tinh
bột sống dựa vào sự bắt cặp, hấp phụ của các enzyme trực tiếp lên bề mặt cơ chất là
22
