BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NẤM MEN ĐỂ LÀM SẠCH DỊCH VÒNG HOÁ TRONG SẢN XUẤT CYCLODEXTRIN TỪ TINH.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NẤM MEN ĐỂ LÀM SẠCH DỊCH VỊNG HỐ TRONG SẢN XUẤT CYCLODEXTRIN TỪ TINH BỘT SẮN TRẦN THỊ NGUYỆT THU HÀ NỘI – 2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NẤM MEN ĐỂ LÀM SẠCH DỊCH VỊNG HỐ TRONG SẢN XUẤT CYCLODEXTRIN TỪ TINH BỘT SẮN NGÀNH : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM TRẦN THỊ NGUYỆT THU Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thị Minh Hạnh HÀ NỘI - 2007 Mở đầu Nguyên liệu chủ yếu dùng để sản xuất cyclodextrin tinh bột Hiện Việt Nam chưa có sở sản xuất cyclodextrin nguồn nguyên liệu tinh bột phong phú dồi Trong năm gần Đảng Nhà nước ta tập trung phát triển khơng lúa mà cịn ngũ cốc nông sản khác Theo số liệu thống kê năm 2005, diện tích sắn nước đạt 423,8 nghìn ha, suất đạt 156,8 tạ/ha sản lượng khoảng 6,5 triệu củ sắn tươi So với năm 2000, diện tích tăng 1,8 lần, suất tăng 2,0 lần, sản lượng tăng 3,2 lần Tốc độ tăng bình quân hàng năm 16% diện tích, 25% suất 44% sản lượng Hiện nước có 52 nhà máy chế biến tinh bột sắn khoảng 4.000 sở chế biến thủ công Tổng công suất chế biến công nghiệp khoảng 3.500 tinh bột sắn/ngày (tương đương 14.000 củ) [54] Hiện nhiều địa phương có xu hướng mở rộng diện tích sắn phát triển sở chế biến sắn Do vậy, thúc việc chế biến sản phẩm từ tinh bột sắn nói chung sản xuất chế biến cyclodextrin từ tinh bột nói riêng, tạo thị trường tiêu thụ lớn đem lại lợi ích đáng kể cho ngành nơng nghiệp Việt Nam Có thể sử dụng nguyên liệu khác (tinh bột sắn, ngô, khoai tây, mỳ, ) để sản xuất CD Tinh bột trước hết dịch hoá để phân cắt mạch tinh bột tạo dextrin thích hợp cho q trình vịng hố (nhưng hạn chế tạo đường khử) dịch có độ nhớt phù hợp Theo nhiều nghiên cứu, để phù hợp với q trình dịch CD hố, dịch tinh bột sau dịch hố phải có DE thấp, khoảng từ 2-10, tốt từ 2-5 Sản phẩm sau q trình vịng hố thu hỗn hợp chứa loại CD chủ yếu α −, β −, γ − CD với tỉ lệ khác phụ thuộc vào nguồn gốc enzim thời gian phản ứng, loại nguyên liệu ban đầu Tuỳ vào mục đích khác nhau, người ta sử dụng loại CD khác dạng hỗn hợp tinh khiết α −, β −, γ − CD Để hồn thiện cơng nghệ sản xuất tạo sản phẩm CD tinh khiết, đồng thời thúc đẩy chế biến tinh bột tạo sản phẩm đa dạng đồng thời ứng dụng cơng nghiệp thực phẩm Sử dụng kết nghiên cứu đề tài trước nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu sử dụng nấm men để làm dịch vịng hố sản xuất cyclodextrin từ tinh bột sắn” CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu cyclodextrin 1.1.1 Lịch sử phát cyclodextrin Các cyclodextrin gọi cellulosine lần Villies phát vào năm 1891 [42] Năm 1904, Bacillus macerans Schardinger phát vi khuẩn sản xuất cyclodextrin, cyclodextrin gọi dextrin Schardinger sau kiện Sau Tilden Hudson (1939) phát enzyme cyclodextrin glucosyltransferaza chiết xuất từ môi trường nuôi cấy vi khuẩn Bacillus macerans chứng minh chuyển hố tinh bột thành cyclodextrin nhờ tác dụng enzim tinh bột [41] Sau đó, phản ứng vịng hố, kết hợp trao đổi enzym Freudenberg cộng (1939) [11], Cori Myrback (1945) [6] French cộng (1948) [10], Norberg French, Pazur (1950) [27, 30] tìm Giữa năm 70, cyclodextrin xác định đặc trưng cấu trúc hoá học số phức hợp chúng nghiên cứu Hiện giới có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu cyclodextrin ứng dụng 1.1.2 Cấu tạo cyclodextrin Các cyclodextrin thường gặp α, β γ-cyclodextrin tương ứng có 6, đơn vị glucoza phân tử Các cyclodextrin lớn (có thể có đến 31 gốc glucoza) cyclodextrin nhỏ (chứa đơn vị glucoza) bền [13] Các đầu khử gốc glucose vịng cyclodextrin xắp xếp cho nhóm hydroxyl bậc (C2 C 3) đầu vịng nhóm hydroxyl bậc (C6) đầu Kết tạo thành đường định hình cho phân tử (hình 1) Các oxi hydro khơng cực đính C3 C5 phía bên nhóm hydroxyl hướng bên ngồi mạch vịng Do phân tử có bề mặt bên ngồi háo nước nên hồ tan nước đồng thời có lỗ hang khơng cực kỵ nước Cấu trúc cho phép cyclodextrin tạo phức bao bền vững với nhiều phân tử kỵ nước Động lực việc tạo phức hiệu ứng entropy việc đổi chỗ phân tử nước từ môi trường không ưa nước lỗ hang, tạo trạng thái ổn định hơn, lượng thấp [4] HOH2C o o HOH2C o o HOH2C o o o 2C H HOH2C HO OH OH o C OHOH OH o HOH OH 2C OH o o OH OH HOH o OH OH o o OH OH o OH o OH HOH2C o OH o OH HOH2C OH o o HOH2 C OH o HOH2 C OH OH OH C H HO o OH OH o OH o OH o HOH2C OH OH OH o o C OH o HOH o OH o OH OHOH OH OH 2C o o H HO OH o o o HOH2C OH HOH2C o OH HOH2 C OH o OHOH o HOH2C o HOH2C o H2C o o HO α-Cyclodextrin β-Cyclodextrin γ-Cyclodextrin Hình 1.1: Cấu trúc kích thước cyclodextrin [31] 1.1.3 Tính chất cyclodextrin 1.1.3.1 Tính chất vật lý a) Kích thước phân tử Hình 1.1 cho thấy kích thước cyclodextrin (ỏ-, õ-, ó- cyclodextrin) Kích thước thể tích lỗ hang chúng khác số phân tử glucoza vòng cyclodextrin khác Kích thước lỗ hang khác cho phép cyclodextrin có tính chất chọn lọc tạo phức với phân tử có kích thước khác Chẳng hạn, phân tử phenyl vừa vặn với vòng α-cyclodextrin Vòng phenyl khớp với lỗ hang β-cyclodextrin cịn trống khoảng khơng nhỏ phân tử phenyl lung lay nhẹ bên lỗ Trong lỗ hang lớn γ-cyclodextrin, phần khoảng khơng cịn trống lớn nên vịng phenyl lung lay Phân tử phenyl tiếp xúc với thành lỗ hang γ-cyclodextrin không nhiều α- β-cyclodextrin liên kết khơng chặt chẽ Trong nhiều trường hợp, phân tử liên kết với α-cyclodextrin liên kết với β-cyclodextrin, phân tử liên kết với γ-cyclodextrin liên kết với β-cyclodextrin Các phân tử nhỏ với nguyên tử cácbon liên kết tốt với α-cyclodextrin, phân tử lớn liên kết tốt với γ-cyclodextrin Để tạo thành phức bền vững, phân tử khách thể cần phải vừa với lỗ hang cyclodextrin tiếp xúc với thành lỗ hang [47.] Một số thông số vật lý cyclodextrin trình bày bảng 1.1 Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý cyclodextrin [48, 50] α-CD β-CD γ-CD 972 1135 1297 + Số đơn vị glucoza + Số phân tử H 2O lỗ 11 17 + Đường kính (A0) 4,7 - 5,3 6,0 - 6,6 7,5 - 8,3 + Đường kính ngồi (A 0) 14,6 15,4 17,5 79 79 79 + Khối lượng phân tử + Chiều cao (A 0) + Thể tích lỗ hang • (ml/mol) 174 262 472 • (ml/g) 0,1 0,14 0,2 • (nm 3) 0,174 0,262 0,472 + Độ tan nước 14,2 1,85 23,2 255 - 260 255 - 265 240 - 245 12,33 12,2 12,08 (g/100ml, 25°C) + Điểm nóng chảy (°C) + P Ka b) Khả tan nước Trong phân tử cyclodextrin, nhóm hydroxyl hướng bên ngồi, cyclodextrin có khả tan nước Khi nhiệt độ tăng, độ tan cyclodextrin tăng Các cyclodextrin khác có độ tan nước khác Do khác sức căng vòng α-, β-, γ-cyclodextrin, hướng quay mức độ liên kết hydro nhóm hydroxyl nguyên tử C2 C đơn vị glucoza kề khác cyclodextrin Các nhóm hydroxyl C1và C3 đơn vị glucoza kề β-cyclodextrin quay theo hướng làm cho tương tác chúng chặt chẽ Do đó, chúng khơng tương tác với phân tử nước dung mơi bên ngồi để solvat hố phân tử cyclodextrin Tuy nhiên, với lực căng vịng lớn α-cyclodextrin, nhóm hydroxyl tương tác với yếu hơn, chúng tương tác tốt với phân tử nước Chính mà α-cyclodextrin hoà tan nước tốt so với β-cyclodextrin Phân tử γ-cyclodextrin có lực căng vịng lớn với tương tác nhóm hydroxyl phân tử glcoza liền kề vòng yếu, nên nhóm hydroxyl tự phân tử nước nhóm hydroxyl α- β-cyclodextrin Do γ-cyclodextrin tan nước tốt α- β-cyclodextrin Các phân tử khách thể có ảnh hưởng đáng kể đến độ hoà tan cyclodextrin Một số hợp chất tạo phức khơng tan với cyclodextrin số khác tạo phức có khả hồ tan cao, chí tan tốt cyclodextrin chưa tạo phức Đó phân tử khách thể có khả quay tương tác khác với cyclodextrin khác nên độ hoà tan phức khác với cyclodextrin, ví dụ phức khách thể với γ-cyclodextrin tan phức khách thể với αhay β-cyclodextrin Bảng 1.2 Độ hoà tan cyclodextrin nước (g/100ml) Nhiệt độ ( oC) α-CD β-CD γ-CD 0,5 6,8 0,80 9,1 15,0 8,6 1,35 18,4 20,0 10,1 1,55 23,2 25,0 13,0 1,85 30,0 30,0 16,0 2,25 38,5 40,0 25,6 3,52 63,5 45,0 32,6 4,45 77,2 50,0 43,5 5,62 93,8 60,0 66,2 9,02 129,2 70,0 87,6 15,30 163,7 80,0 109,3 25,30 198,0 90,0 131,6 39,70 - Khi cyclodextrin bị biến đổi, độ hồ tan tăng giảm Việc biến đổi nhóm 2- 3-hydroxyl cyclodextrin làm phá vỡ liên kết hydro mép vịng cyclodextrin, cho phép nhóm hydroxyl tương tác tốt với nước độ hoà tan cyclodextrin tăng lên [47] ... phẩm Sử dụng kết nghiên cứu đề tài trước nghiên cứu đề tài ? ?Nghiên cứu sử dụng nấm men để làm dịch vịng hố sản xuất cyclodextrin từ tinh bột sắn” CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu cyclodextrin... phức Đó phân tử khách thể có khả quay tương tác khác với cyclodextrin khác nên độ hồ tan phức khác với cyclodextrin, ví dụ phức khách thể với γ-cyclodextrin tan phức khách thể với αhay β-cyclodextrin... β-cyclodextrin, phân tử liên kết với γ-cyclodextrin liên kết với β-cyclodextrin Các phân tử nhỏ với nguyên tử cácbon liên kết tốt với α-cyclodextrin, phân tử lớn liên kết tốt với γ-cyclodextrin Để tạo