Tiểu luận Đường đôi maltose và các ứng dụng thực tiễn của nó trong đời sống

Untitled TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC  TIỂU LUẬN MÔN HÓA SINH ĐƯỜNG ĐÔI MALTOSE VÀ CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA NÓ TRONG ĐỜI SỐNG Hà Nội MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 NỘI DUNG 2 I GIỚ[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC  TIỂU LUẬN MƠN HĨA SINH ĐƯỜNG ĐƠI MALTOSE VÀ CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA NÓ TRONG ĐỜI SỐNG Hà Nội MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU NỘI DUNG .2 I GIỚI THIỆU VỀ MALTOSE .2 Lịch sử 2 Cấu trúc danh pháp II TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN Tính chất vật lý Trạng thái tự nhiên III TÍNH CHẤT HĨA HỌC Tính chất ancol đa chức (poliol) Tính chất nhóm andehyt 10 Phản ứng thủy phân 12 IV TÍNH CHẤT SINH HỌC .13 Phản ứng sinh học phổ biến liên quan đến maltose 13 Rối loạn chuyển hóa 13 Tầm quan trọng, chức sinh học 14 V ĐIỀU CHẾ SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG 16 Điều chế, sản xuất 16 Ứng dụng 21 KẾT LUẬN 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển ngành cơng nghiệp bánh kẹo nhu cầu loại nguyên liệu làm nên chúng ngày tăng cao Trước đây, người ta thường sử dụng đường saccharose để tạo nên độ cho sản phẩm Nhưng sử dụng loại đường gặp số trở ngại như: tượng lại đường, độ cao khơng thích hợp cho người bệnh béo phì tiểu đường, làm tăng nhanh lượng đường máu… Qua nghiên cứu người ta thấy loại đường nha có nguồn gốc từ hạt nảy mầm khắc phục nhược điểm Đó Maltose Maltose disaccharide tạo thành từ đơn vị glucose nối lại liên kết α−1,4−glucoside, phân tử maltose cịn giữ nhóm OH glucoside nên có tính khử nửa glucose Nó có sẵn tự nhiên, thường có mặt hạt cốc nảy mầm Maltose xuất dạng bột trắng tinh thể Tinh thể loại đường suốt, tan tốt nước, có vị Maltose có độ kém, khoảng 30-60% đường, tùy thuộc vào nồng độ Dung dịch maltose 10% có độ 35% sucrose Maltose có nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Syrup maltose sản phẩm từ maltose Nó chứa hàm lượng maltose cao, có độ 60% đường saccharose nên thay chất dinh dưỡng cho người bị bệnh tiểu đường dễ hấp thu không làm tăng lượng đường máu Maltose sử dụng rộng rãi lĩnh vực chế biến, sản xuất: trà, sữa, bia…và sản phẩm từ bơ Ngồi ra, maltose cịn dung cơng nghiệp sản xuất bánh mỳ, cake, loại kẹo, nước súc miệng… Trong cơng nghệ dược phẩm, ta sản xuất manitol hydro hóa maltose Vì vậy, với tìm hiểu hiểu biết em xin phép nghiên cứu đề tài: “Đường đôi Maltose ứng dụng thực tiễn đời sống” Dù cố gắng để hoàn thiện tiểu luận cách tốt tránh khỏi sơ suất Mong đóng góp ý kiến cho tiểu luận hoàn thiên NỘI DUNG I GIỚI THIỆU VỀ MALTOSE: Lịch sử: Maltose phát Augustin-Pierre Dubrunfaut (1797-1881), nhà hóa học người Pháp Ơng người phát fructose Tuy nhiên, phát maltose ông không chấp nhận rộng rãi nhà hóa học người Ailen, Cornelius O’Sullivan (1841-1907) xác nhận vào năm 1872 Cái tên Maltose xuất phát từ từ “malt” (nghĩa hạt nảy mầm, sử dụng sản xuất bia, chưng cất, ) , kết hợp với hậu tố “-ose” sử dụng tên loại đường Maltose tìm thấy loại ngũ cốc, rau trái có tinh bột Maltose sản xuất sử dụng Trung Quốc từ xưa triều đại nhà Thương (khoảng năm 1150) Tại Nhật Bản, việc sử dụng maltose ghi nhận từ thời Hoàng đế Jimmu Cấu trúc danh pháp: Maltose (/ˈmɔːltoʊs/ / mɔːltoʊz /), gọi maltobiose đường mạch nha, disaccaride hình thảnh hai đơn vị glucose có cơng thức hóa học C12H22O11 Nó thành phần quan trọng thứ hai hang loạt hợp chất hóa sinh có vịng glucose Nếu them gốc glucose tạo thành maltotriose, gốc glucose gọi maltotetrose, Nếu thêm nhiều gốc glucose tạo thành dextrins, thường gọi maltodextrin, hay chí tạo thành tinh bột  Cấu tạo: Phân tử maltose cấu tạo từ hai gốc α-glucopyranose liên kết với qua liên kết glycoside nhóm –OH vị trí C1 phân tử glucose thứ với nhóm –OH vị trí C4 phân tử glucose thứ hai Liên kết α− C1−O−C4 gọi liên kết α−1,4−glicoside Liên kết α−1,4−glicoside Maltose tạo thành thủy phân enzyme tinh bột (một homopolysaccharide) xúc tác enzyme amylase Maltose chuyển đổi thành phân tử D-glycoside nhờ enzyme maltase, thủy phân liên kết glycoside Maltose thương mại sản xuất từ tinh bột xử lý mạch nha lúa mạch Hình phía cấu trúc liên kết mơ hình phân tử khơng gian Maltose: 4- O - (α- d -glucopyranosyl) - β- d -glucopyranose (Mơ hình phân tử không gian Maltose) Các monosaccharide đơn vị bên trái hemiacetal α- d -glucopyranosyl đơn vị Nó liên kết liên kết glycoside với α- (1,4ʹ) với - d -glucopyranose, aglycone Nguyên tử oxy liên kết glycoside trung tâm cấu trúc hai vịng Nó chiếu xuống dọc theo trục đồng phân α Nó liên kết với C4 aglycone, liên kết xích đạo trục Danh pháp IUPAC maltose 4- O - (α- d -glucopyranosyl) - β- d -glucopyranose Thuật ngữ ngoặc đơn đơn vị glucose bên trái, đóng góp vào phần acetal liên kết glycoside Thuật ngữ - pyrano cho biết phần cấu trúc vòng gồm sáu cạnh hậu tố - osyl vòng liên kết với phân tử khác liên kết glycoside Tiền tố 4-O- đề cập đến vị trí nguyên tử oxy aglycone vịng bên tay phải Thuật ngữ β- d -glucopyranose mơ tả cấu trúc aglycone Vì aglycone hemiacet lý tương tự cho thấy maltose loại đường khử Các aldehyd tự hình thành mở vịng phản ứng với dung dịch Benedict Dạng aldehyde maltose dạng dung dịch Phần acetal cấu trúc gọi phần khả khử cuối disacarit.Nếu khơng muốn định cấu hình aglycone, Maltose có tên 4-O(α- d -glucopyranosyl) - d -glucopyranose Trong dung dịch, gốc α−glucose maltose mở vịng tạo nhóm aldehyde tự phản ứng với dung dịch Fehling hay Tollens Maltose có tính khử, thuộc vào loại đường có tính khử  Maltose có góc quay cực dương (+), maltose dạng α có [α] = +1160, dạng β có [α] = +1120, thủy phân dung dịch có quay hỗ biến cho dung dịch cân với [α] = +1360 Dạng β- maltose 4- O - (α- D -glucopyranosyl) - β- D -glucopyranose Dạng α- maltose 4- O - (α- D -glucopyranosyl) - α - D –glucopyranose  Một đồng phân maltose Isomaltose Cả hai tạo thành từ hai đơn vị glucose nối với liên kết glycoside Tuy nhiên, thay liên kết vị trí α (14) vị trí α (16), liên kết tìm thấy điểm nhánh glycogen amylopectin Isomaltose (6- O -α- D -glucopyranosyl- D –glucopyranose) II TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN: Tính chất vật lý:  Maltose diện tinh thể ngậm phân tử nước (maltose monohydrate), điểm nóng chảy 216,5 - 266°F (102,5 - 130°C) Trong 30 phút nấu nhiệt độ 356°F (180°C), hầu hết maltose bị phân hủy Tinh thể không nước đun duới áp suất thấp, dùng chất làm khan nước H2SO4 đậm đặc hay P2O5  Tỉ trọng 1,54g/cm3, khối lượng phân tử 342,3 g/mol  Maltose tan nước, tan rượu, khơng tan eter.Độ hịa tan maltose monohydrate nước 68°F (20°C) 108 g/100ml  Maltose loại đường có độ độ hòa tan thấp so với đường saccharose (chỉ khoảng 30-60% đường)  Maltose monohydrate hút ẩm; dễ dàng thu hút độ ẩm độ ẩm tương đối 60%  Caramel hóa maltose bắt đầu 356°F (180°C)  Bột maltose có bán thị trường dạng đường maltose đường mạch nha, chất tinh thể màu trắng khơng có mùi  Maltose syrup chất lỏng suốt, có mùi dễ chịu, vị (ngọt 40% so với saccharose, 60% so với glucose), mát, hấp thụ tốt hệ tiêu hóa người Trạng thái tự nhiên:  Maltose có lúa mì, bột ngô, lúa mạch, hạt, phận số loại ngũ cốc… chúng phá vỡ lượng dự trữ chúng để nảy mầm  Trái nguồn maltose phổ biến khác chế độ ăn uống, đặc biệt đào lê  Khoai lang chứa nhiều maltose hầu hết loại thực phẩm khác III TÍNH CHẤT HĨA HỌC: Do kết hợp gốc glucozơ, phân tử maltose cịn có nhóm CHO, nhóm OH liền kề nên maltose có tính chất hóa học ancol đa chức anđehit Do cấu trúc trên, maltose có tính chất chính:  Tính chất ancol đa chức (poliol) giống saccharose  Tính khử maltose tương tự glucose  Phản ứng thủy phân Tính chất ancol đa chức (poliol):  Tính chất đặc trưng ancol đa chức là: Trong dung dịch, maltose phản ứng với Cu(OH)2 nhiệt độ thường cho phức đồngmaltose màu xanh lam 2C12H22O11 + Cu(OH)2 (C12H21O11)2Cu + 2H2O IV TÍNH CHẤT SINH HỌC: Phản ứng sinh học phổ biến liên quan đến maltose: Sinh tổng hợp maltose liên quan đến hai đơn vị glucose nối thông qua liên kết glycosidic α-1→ Sự kết hợp hai monosacarit dẫn đến việc giải phóng nước Sự kết hợp thêm số hợp chất maltose dẫn đến hình thành carbohydrate phức tạp hơn, chẳng hạn tinh bột thực vật glycogen động vật Quá trình gọi tổng hợp nước, theo hình thành liên kết glycoside đồng thời với việc giải phóng nước Q trình carbohydrate phức tạp chia nhỏ thành dạng đơn giản đường hóa Nó đối nghịch tổng hợp nước Trong trình tổng hợp nước, phản ứng ngưng tụ làm cho liên kết glycoside hình thành đường nối sau nước giải phóng q trình Trong q trình đường hóa, thủy phân sử dụng phân tử nước làm cho liên kết glycoside bị phá vỡ, giải phóng thành phần đường Maltose khơng thường xảy thực phẩm chúng thu từ tinh bột thủy phân phần (ví dụ maltodextrin xi-rơ ngơ) Việc tiêu hóa tinh bột cung cấp maltose Ở người, amylaselà enzyme nước bọt nước tụy tiêu hóa tinh bột thành carbohydrate đơn giản hơn, chẳng hạn maltose Tuy nhiên, maltose người khơng dễ dàng hấp thụ ruột non Nó phải phân tách thành thành phần saccharide trước đưa vào tế bào ruột, vào máu cuối đến tế bào mô khác gan, thận, bắp, não, mỡ, … Maltose tiêu hóa phân hủy thành đơn vị monosacarit thơng qua q trình thủy phân với trợ giúp enzyme, maltase Liên kết nối hai đơn vị glucose bị phá vỡ, chuyển đổi maltose thành hai đơn vị glucose Các phân tử glucose tự hấp thụ tế bào ruột, đưa vào máu, sau đưa lên tế bào khác Rối loạn chuyển hóa: Trong niêm mạc ruột non, enzyme maltase isomaltase phân hủy maltose thành hai phân tử glucose, sau hấp thụ Glucose từ maltose hấp thụ nhanh 13 glucose nguyên chất Một số maltose hấp thụ mà không bị phân hủy thành glucose Sản phẩm tiêu hóa Maltose Glucose thu hút nước từ thành ruột (tác dụng thẩm thấu) chúng gây tiêu chảy tiêu thụ mức Ngưỡng thuốc nhuận tràng maltose người khỏe mạnh khoảng 120 gram ngày Không dung nạp maltose rối loạn chuyển hóa liên quan đến maltose Trong q trình tiêu hóa, enzyme maltase giải phóng từ niêm mạc ruột để xúc tác phân hủy maltose thành thành phần glucose Hoạt động enzyme maltase thấp dẫn đến maltose khơng tiêu hóa Khi thể khơng tiêu hóa maltose, hút nước từ thể vào ruột Điều dẫn đến tiêu chảy Trong đại tràng, hệ thực vật đường ruột chuyển hóa maltose chưa tiêu hóa Điều gây đầy đau đớn Không dung nạp maltose người Nó thường liên quan với việc thiếu enzyme sucrase-isomaltase Tầm quan trọng, chức sinh học: 3.1 Tầm quan trọng: Thành phần dinh dưỡng cho Maltose: - Lượng calo = calo gram, tương đương với glucose sucrose - Chỉ số đường huyết cho 50g (GI) = 105 Maltose nguồn glucose Glucose chất dinh dưỡng quan trọng sử dụng chủ yếu chuyển hóa lượng Glucose dạng monosacaride phổ biến mà tế bào sử dụng để tổng hợp ATP thơng qua q trình phosphoryl hóa chất (glycolyside) phosphoryl hóa oxy hóa dung lượng từ phản ứng oxy hóa tạo (liên quan đến phản ứng oxy hóa khử phản ứng hóa học) Tác động maltose sức khỏe chưa nghiên cứu kỹ lưỡng sucrose Sucrose chế biến (đường tinh luyện) maltose (đặc biệt xi-rơ ngơ có hàm lượng maltose cao) tìm thấy thực phẩm ngũ cốc pizza nguồn đường lành mạnh chế độ ăn uống Những loại đường thêm vào biết gây ảnh hưởng tiêu cực lớn sức khỏe tiêu thụ vượt mức Ăn nhiều thực phẩm có chứa nhiều đường dẫn đến dinh dưỡng, tăng cân, 14 sâu răng…Hơn ảnh hưởng đến huyết áp cao, tăng viêm mãn tính nguy tử vong bệnh tim Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ khuyên bạn nên hạn chế lượng đường bổ sung hàng ngày không nửa lượng calo cho phép tùy ý hàng ngày Đối với phụ nữ, không 100 calo ngày (khoảng muỗng cà phê đường) Đối với nam giới, 150 calo ngày (khoảng muỗng cà phê đường) Họ khuyên không nên thêm đường cho trẻ nhỏ hai tuổi không 100 calo đường thêm vào ngày cho trẻ hai tuổi Hạn chế lượng Maltose tránh bệnh: - Đái tháo đường - Bệnh celiac - Hạ đường huyết phản ứng - Hạ huyết áp sau bữa ăn - Hấp thu glucose-galactose - Hội chứng thiếu GLUT-1 - Thiếu hụt sucename-isomaltase bẩm sinh (CSID) 3.2 Chức năng: Maltose chất trung gian quan trọng q trình tiêu hóa tinh bột Tinh bột thực vật sử dụng cách để lưu trữ glucose Sau cellulose , tinh bột polysacaride dồi tế bào thực vật Động vật (và thực vật) tiêu hóa tinh bột, chuyển đổi thành glucose để phục vụ nguồn lượng Maltose hình thành từ tinh bột bị phá vỡ, đến lượt dễ dàng tiêu hóa thành phân tử glucose, đường tự lưu thơng máu động vật bậc cao nhiên liệu ưa thích não hệ thần kinh Lu Sharkey (2006) báo cáo maltose dạng carbon chủ yếu xuất từ lục lạp thực vật vào ban đêm, từ phân hủy tinh bột Maltose hợp chất thú vị sử dụng sản xuất rượu Thơng qua q trình gọi lên men , glucose, maltose loại đường khác chuyển đổi thành ethanol tế bào nấm men trường hợp khơng có oxy Thơng qua q trình tương tự, tế bào chuyển đổi glucose thành axit lactic để lấy lượng 15 thể hoạt động điều kiện yếm khí Mặc dù maltose khơng phổ biến tự nhiên, hình thành thơng qua phân hủy tinh bột enzyme miệng Maltose, phần ba sucrose , sử dụng để làm thực phẩm từ kỷ thứ bảy người Trung Quốc (Bender Bender 2005) V ĐIỀU CHẾ SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG: Điều chế, sản xuất: 1.1 Điều chế:  Maltose điều chế cách thủy phân tinh bột nhờ enzyme amilaza (có mầm lúa) Phản ứng thủy phân xảy thể người động vật Thủy phân tinh bột nhờ men amylaza có mầm lúa 2(C6H10O5)n + nH2O → nC12H22O11 16 Amylase số enzyme sử dụng rộng rãi công nghiệp Enzym amylase tìm thấy nhiều nguồn ngun liệu khác từ thực vật, động vật vi sinh vật Ngày enzyme amylase thay acid xúc tác trình thủy phân tinh bột qui mơ cơng nghiệp  Ngồi cịn có phương pháp thủy phân tinh bột acid: thường sử dụng acid HCl tạo sản phẩm có giá trị DE (Dextrose Equivalent) khơng cao Thơng thường sản phẩm có DE thấp thường dễ bị thối hóa, khó bảo quản thủy phân khơng hồn hảo; cịn sản phẩm có DE cao lại có độ ổn định màu vị So sánh ưu, nhược điểm trình thủy phân tinh bột acid enzyme amilaza: Thủy phân acid Thủy phân enzyme amilaza Ưu điểm - Thời gian nhanh - Hiệu suất thu sản phẩm cao - Điều kiện thiết bị đơn giản - Không độc hại với người môi trường Nhược điểm - Hiệu suất thủy phân không cao - Thời gian lâu - Dung dịch sau thủy phân bị hóa - Quy trình, cơng nghệ phức tạp - Địi hỏi chí phí cao nâu mạnh - Acid ảnh hưởng không tốt đến môi trường 1.2 Sản xuất: 17 Maltose sản xuất từ ngô, lúa mạch, bột sắn tinh bột có sử dụng enzyme αamylase có nguồn gốc nấm  Thu nhận maltose syrup từ nguồn tinh bột sắn  Quy trình cơng nghệ sản xuất: Quy trình thủy phân enzyme: Bước 1: Khuấy trộn: Nhằm tăng độ phân tán dịch huyền phù, chuẩn bị cho q trình hồ hóa Bước 2: Hồ hóa: Hịa tan hạt tinh bột có kích thước nhỏ thành dung dịch nhớt sền sệt, hạt hút nước trương nở tối đa tạo điều kiện thuận lợi cho q trình dịch hóa Bước 3: Dịch hóa: Phá tung hạt tinh bột, thủy phân phần tinh bột tạo mạch dextrin có chiều dài mạch ngắn hơn, giảm độ nhớt dung dịch hồ hóa tạo điều kiện cho Fungamyl phân cắt tốt giai đoạn đường hóa Bước 4: Làm nguội: Tạo điều kiện tối thích cho q trình đường hóa Bước 5: Đường hóa: Tạo thành syrup có thành phần chủ yếu maltose, đường đơn giản dextrin mạch ngắn Bước 6: Nâng nhiệt: Vơ hoạt enzyme Fungamyl Bước 7: Tẩy màu: - Hoàn thiện giá trị cảm quan: làm tăng độ sản phẩm, đưa sản phẩm màu tiêu chuẩn màu trắng đến màu vàng nhạt - Là tác nhân trợ lọc cho trình lọc tiếp theo, hỗ trợ cho trình lọc sản phẩm hiệu Bước 8: Lọc: Lọc phần tinh bột chưa thủy phân phần bã (bao gồm chất màu than hoạt tính) giúp loại bỏ tạp chất có kích thước lớn mà cản trở cho q trình trao đổi ion Bước 9: Trao đổi ion: Hoàn thiện sản phẩm: dịch đường qua cột trao đổi ion để tách bớt số cation (Ca2+, Na+, Mg2+…) anion (Cl-, SO42-…), số chất hữu cơ… Bước 10: Xử lý hoàn thiên: 18