Đề tài quy trình sản xuất cyclodextrin

Mục lục Phần I: Giới thiệu: I.Định nghĩa .2 II.Cơ chế hình thành III Tính chất IV Ứng dụng .4 Phần II: Nguyên liệu,chế phẩm enzyme I.Nguyên liệu 1.Cấu tạo, hình dạng, kích thước 1.1 Hình dạng 1.2 Kích thước 1.3 Cấu tạo .6 2.Tính chất chức tinh bột 10 2.1 Độ tan trương nở tinh bột 10 2.2 Tính chất thủy nhiệt hồ hóa tinh bột .10 2.3 Tính chất nhớt dẻo hồ tinh bột 12 2.4 Khả tạo gel thối hóa tinh bột .13 2.5 Khả tạo hình 14 Chỉ tiêu chất lượng .15 II.Nguyên liệu phụ 16 1.Nước 16 2.Dung môi 16 III.Chế phẩm enzyme .16 1.α-amylase 16 2.cyclodextrin glucanotransferase 17 3.glucoamylase 17 Phần III.Quy trình cơng nghệ .18 I.Sơ đồ khối 18 II.Giải thích quy trình .20 1.Quy trình 20 2.Quy trình 29 3.So sánh quy trình 32 Phần IV.Sản phẩm tiêu chất lượng sản phẩm 32 I.Khái quát chung .32 1.Độ độc 32 2.Tính chất thực phẩm 32 3.Khả hấp thụ chất dinh dưỡng 33 4.Một vài sản phẩm thương phẩm cyclodextrin dẫn xuất 33 II.β-cyclodextrin .37 III.α-cyclodextrin .38 IV.γ-cyclodextrin .40 Phần V.Thành tựu công nghệ 43 I.Sử dụng limonene làm dung môi 43 II.Các dẫn xuất từ cyclodextrin 43 III.Ứng dụng phát triển mạnh mẽ công nghệ sinh học 43 Phần VI.Tài liệu tham khảo 44 Phần I :Giới thiệu chung: I.Định nghĩa Bên cạnh sản phẩm tinh bột biến tính thường thấy, cyclodextrin sản phẩm đặc biệt từ tinh bột thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu giới Từ năm 1892, Villiers tạo cyclodextrin từ tinh bột, sau Schardiger có nhiều nghiên cứu cyclodextrin nên có thời gian cyclodextrin gọi “dextrin Schardiger” Cyclodextrin (cyclomalto oligosaccharide, cyclic α-1,4-D-glucan) thuộc họ vòng oligosaccharides, cấu tạo từ gốc α-D-glucopyranoside trở lên nối với liên kết 1,4 glucoside, tương tự amylose tinh bột Cyclodextrin cấu trúc đầy đủ bao gồm 32 liên kết 1,4-glucoside, đơn giản tạo thành dạng hỗn hợp, chí có 150 vịng oligosaccharide Các cyclodextrin cấu tạo monomer glucose vòng lại với từ đến gốc, gồm loại:    α-cyclodextrin (cyclomalto-hexaose): vòng gốc đường β-cyclodextrin (cyclomalto-heptaose): vòng gốc đường γ-cyclodextrin (cyclomalto-octaose): vịng gốc đường Cấu trúc khơng gian γ-CD II.Cơ chế hình thành: Cyclodextrin đươc sản xuất chủ yếu từ tinh bột cách sử dụng enzyme để biến đổi Từ nhiều năm trước chế phẩm từ cyclodextrin sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực thực phẩm, dược phẩm, cơng nghiệp hóa chất nông nghiệp kỹ thuật môi trường Cyclodextrin điều chế từ loại tinh bột ngô, sắn, khoai tây… , tinh bột biến tính khơng biến tính có nguồn gốc từ ngũ cốc loại củ có chứa thành phần amilose amilopectin.Tinh bột maltodextrin chuyển hóa tác dụng enzyme cyclodextrin- glucano-transferase (CGTase) thành hỗn hợp đường oligosaccharide mạch thẳng mạch vịng (cyclodextrin) Thơng thường hàm lượng oligosaccharide mạch thẳng thường nhiều hơn, cyclodextrin chiếm 3550% Quá trình chuyển hóa tinh bột sẵn thành cyclodextrin thực môi trường chứa dung môi khơng có dung mơi Các dung mơi định hướng phản ứng, tạo sản phẩm α- β- γ-cyclodextrin có mặt tương ứng dung mơi decanol, toluene naphtholmethylethyl ketone Trong trường hợp không sử dụng dung môi, hỗn hợp sản phẩm tạo phản ứng Khi sử dụng dung môi, sản phẩm sau phản ứng lọc ly tâm, sau làm kết tinh Trong trường hợp khơng sử dụng dung môi, sản phẩm tinh cô đặc sau kết tinh Cyclodextrin đóng bao 25 50 kg Enzym thủy phân liên kết nhánh sử dụng để tăng hiệu suất sản xuất cyclodextrin từ amylopectin, tinh bột bắp tinh bột sắn Khi sử dụng thêm pullulanase từ Enterobacter aerogenes, hiệu suất thu β -cyclodextrin α -cyclodextrin đạt tương ứng 93% 72% Pullulanase thủy phân tinh bột tạo đoạn glucan mạch thẳng có lực mạnh enzyme tạo vịng cyclodextrin III Tính chất: α-, β- γ-cyclodextrin có nhiều tính chất vật lý khác nhau: khối lượng phân tử (α = 973, β = 1135 γ = 1297), đường kính cấu trúc vòng (α = – Ǻ, β= – Ǻ γ = – 10 Ǻ) độ tan nước (ở nhiệt độ 25oC α = 14.5, β = 1.85 γ = 23.2 g/100 ml H2O Tăng nhiệt độ từ 25 đến 45 60oC giúp tăng độ hòa tan dạng cyclodextrin lên khoảng 2,5 đến lần Mức độ hòa tan dung môi hữu phụ thuộc vào loại dung môi sử dụng Cyclodextrin bền với nhiệt độ lên tới 300oC không bị thủy phân kiềm chí nhiệt độ cao Tuy nhiên bị thủy phân acid bị oxy hóa tác nhân oxy hóa So với oligosaccharide mạch thẳng, cyclodextrin tương đối bền với tác dụng amylase Các exoenzym glucoamylase hay β-amylase thường không thủy phân cyclodextrin khơng có đầu khơng khử để bắt đầu phản ứng Tuy nhiên, vài endoenzym α-amylase có khả thủy phân cyclodextrin thành đường glucose số oligosaccharide Nói chung, cyclodextrin bị phân hủy chậm vài αamylase từ B subtilis, B stearothemophilus, A oryzae, amylase từ Flavobacterium sp., cyclodextrinase từ B macerans từ vài loại nấm men Lipomyces kononenkoae Ngồi ra, α-cyclodextrin chuyển hóa ngược thành tinh bột phân tử lượng thấp DP 56-73 với hiệu suất 78% nhờ CGTase IV.Ứng dụng: Cyclodextrin có khả tạo phức với phân tử khác Với nhóm ưa nước bên ngồi nhóm kỵ nước bên trong, cyclodextrin có khả giữ phân tử mùi bên vịng cyclodextrin Chính mà thường coi “cái lồng hương” tức chất cố định mùi ứng dụng rộng rãi Trong công nghiệp thực phẩm, cyclodextrin sử dụng để phân tán che bớt mùi, giảm mùi hôi thịt, giữ hương thơm bánh trái, khử tính chất khơng mong muốn vị đắng nước chanh, chất màu nước ép, caffein trà… công nghiệp chất dẻo, dầu thơm, mỹ phẩm, cyclodextrin sử dụng để bảo vệ phân tử dễ bị oxy hóa hay bị hư hỏng ánh sáng nhiệt độ Trong dược phẩm, cyclodextrin dùng để tăng độ hòa tan thuốc cho phép sử dụng thuốc với liều thấp hơn, kiểm sốt việc giải phóng thuốc cách từ từ thời gian dài Trong thí nghiệm phân tích chẩn đốn bệnh, cyclodextrin dùng để hịa tan thuốc nhuộm, chất chất thị Cyclodextrin sản xuất nhiều Nhật Bản nhiều hãng, lớn hãng Nihon Shokukin Kato với sản phẩm α-cyclodextrin có độ tinh 98,5% Cyclodextrin coi sản phẩm tinh bột biến tính có tiềm sản xuất ứng dụng rộng rãi tương lai Phần II :Nguyên liệu,chế phẩm emzyme I.nguyên liệu chính: tinh bột Cấu tạo, hình dạng, kích thước: phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt trình sinh trưởng Hàm lượng tinh bột có số loại thực phẩm: Khoai mì Khoai tây 95% 84% Chuối 90% Lúa gạo Đậu 75_80% 60_66% 1.1 Hình dạng: hình trịn, hình bầu dục, hình đa giác HÌNH DẠNG TINH BỘT KHOAI TÂY HÌNH DẠNG TINH BỘT GẠO HÌNH DẠNG TINH BỘT KHOAI MÌ 1.2 Kích thước: 2-10μm với loại hạt nhỏ, 20-35μm với hạt lớn Kích thước hạt khác dẫn đến tính chất lí khác nhiệt độ hồ hố,… Hạt nhỏ có cấu trúc chặt, hạt lớn có cấu trúc xốp (Có thể dùng phương pháp lắng để phân chia hệ thống tinh bột đoạn có kích thước đồng để nghiên cứu) 1.3 Cấu tạo: Tinh bột không hợp chất đồng thể mà gồm polysacaride khác nhau: amilose amilopectin Cấu tạo bên hạt tinh bột phức tạp Hạt tinh bột có cấu trúc lớp, lớp có amilose(AM)và amilopectin(AP) xếp theo phương hướng Trong đa số tinh bột, tỉ lệ AM/AP xấp xỉ ¼ Ngoại lệ: đậu xanh: 75%, nếp 90%; lúa mì, bắp: AM/AP=1/3; Dong, riềng:AM/AP=1/2 Cả amilose amilopectin cấu tạo từ monosacaride: glucose (α-D-glucose) Hình.Cấu tạo hạt tinh bột 1.3.1 Cấu tạo, tính chất amilose: a Cấu tạo: Phân tử lượng: 104-4.104 Mạch thẳng,chuỗi dài từ 500-2000 đơn vị glucose liên kết liên kết 1-4 glucoside→còn đầu khử (cịn đầu có nhóm -OH glucoside) Ở trạng thái keo, phân tử amilose dạng xoắn nhờ liên kết hiđro Một vịng xoắn gồm glucose, đường kính vịng xoắn 12,97Ao,chiều cao 7,19Ao.Các nhóm hydroxyl nằm bên ngồi hình xoắn ốc, bên nhóm C-H b Tính chất : - Độ hồ tan: Khơng hồ tan nước lạnh, dễ tạo dung dịch keo.Tốc độ tạo keo phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ, pH, nồng độ AM phương pháp hoà tan Amilose hồ tan dễ dàng kiềm lỗng Điều đáng ý để hồ tan amilose cần có lượng kiềm tối ưu, nồng độ cao hay thấp làm cho AM tạo keo Amilose thường hồ tan dung mơi: Cloralhydrat, formamit, acid dicloaxetic, pirolidin, đimetylsulfoxit, axetamit, etilenđiamin, piperazin, axit formic, ure Do amilose có khối lượng phân tử lớn có mạch thẳng nên nồng độ dung mơi thường lớn, dẫn đến dung dịch tạo thành có độ nhớt Dung môi tốt amilose dimetylsulfoxit,nếu dung mơi khan hồ tan 50% khối lượng AM có độ ẩm 7-10%.Nhưng sau thêm nước vào AM lại kết tủa - Tính lưu biến : Trong dung dịch phân tử amylose có khuynh hướng liên kết lại với tạo tinh thể Khi liên hợp xảy với tốc độ tối thiểu amylose tạo khối khơng tan hạt thoái hoá, tốc độ liên hợp cực đại dung dịch chuyển thành thể keo Amylose thối hố khơng hồ tan nước lạnh, có khả hấp thụ nước lớn Một số amylose hấp thụ lượng nước gấp lần trọng lượng chúng Nếu để amylose lượng nước lần nước hấp thu hồn tồn cịn amylose tạo thể keo xúc tiến Ở nhiệt độ thường keo amylose khối trắng đục khơng thuận nghịch, khơng thấy có tượng co Nghiên cứu amylose kính hiển vi, người ta thấy chúng có cấu trúc hạt rõ rệt, chứng tỏ có tính khơng tan tiểu tinh thể Như khác tạo keo thoái hoá mức độ định hướng Độ bền keo amylose nồng độ thời gian định Khi khơ keo trở nên cứng, giịn khơng thể quay lại trang thái ban đầu nước Xác định độ nhớt dung dịch amylose với nước thường khó, amylose khơng bền nhiệt độ dùng để đo độ nhớt Độ nhớt amylose phụ thuộc vào nồng độ amylose, nồng độ kiềm Độ nhớt đạt cực tiểu dung dịch kiềm nồng độ 1N - Phản ứng với iod: I2 hấp thu vào vịng xoắn cho dung dịch có màu xanh đặc trưng Màu thay đổi theo độ dài mạch - Khả tạo phức: Amilose cịn có khả tạo phức với nhiều hợp chất hữu có cực không cực khác nhau: +các rượu no (như izoamylic, butylic, izopropylic) +các rượu vòng, phenol +các ceton thấp phân tử +các acid béo dãy thấp axit béo dãy cao (stearic, oleic,…) +các ester mạch thẳng mạch vòng +các hyđrocacbon thẳng vòng +Các dẫn xuất benzene có nhóm andehyd +các nitropirafin,v.v Các chất tạo phức chiếm vị trí vịng xoắn tương tự iod Các phức chất không bị tan nước, bị kết tủa kết tinh để yên dung dịch Phức vitamin A với amilose thường bền bị oxi hố Do , người ta thường bảo vệ vitamin A thuốc thức ăn cách cho tạo phức với amilose 1.3.2 Cấu tạo, tính chất amilopectin: a Cấu tạo : Phân tử lượng: khoảng 5.108 Mạch thẳng, phân nhánh, liên kết 1-4 glucoside (thẳng), 1-6 (nhánh) Mối liên kết nhánh làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài chuỗi mạch nhánh khoảng 25-30 đơn vị glucose Phân tử amilopectin chứa tới 100000 đơn vị glucose Cịn nhóm -OH glucoside →cịn tính khử b Tính chất : Nhiệt độ hồ hố cao so với amilose dung dịch có độ nhớt cao Khi phản ứng amilopectin với lectin (phản ứng đặc trưng): Lectin liên kết với gốc α-D-glucopiranozil nằm đầu cuối khơng khử amilopectin làm cho AP kết tủa tách khỏi dung dịch Liên kết lectin với gốc monosaccharide chủ yếu liên kết hyđro Phản ứng cho màu tím đỏ amilopectin với iod xảy kết hình thành nên chất hấp phụ 1.3.3 Khả hấp thụ hạt tinh bột: 10  Nguyên tắc: β-cyclodextrin thường dễ dàng tách khỏi hỗn hợp cyclodextrin có độ tan thấp Vì trình thường sử dụng để tạo α- γ- cyclodextrin chất có độ tan lớn Dung mơi q trình đóng vai trị tạo phức với loại cyclodextrin yêu cầu, phức có độ tan kém, kết lắng ta tách khỏi dung dịch phương pháp lọc Bên cạnh đó, dung mơi cịn có vai trị quan trọng khác định hướng phản ứng theo hướng tạo loại cyclodextrin cần sản xuất: - Định hướng phản ứng tạo α vàγ-cyclodextrin: Bởi trình tạo cyclodextrin diễn tuần tự, trình tạo α-cyclodextrin xảy trước trình tạo β- γ- cyclodextrin Ở giai đoạn cuối trình tổng hợp xảy trình tạo γ-cyclodextrin mà khả hoạt hóa enzyme CGTase trở nên thấp Điều có nghĩa hàm lượng α-cyclodextrin ảnh hưởng giới hạn hàm lượng γ-cyclodextrin Hơn nữa, có đường kính vịng loại cyclodextrin có khác biệt lớn nên dung môi tạo phức với α-cyclodextrin tạo phức không bền với γ-cyclodextrin - Các dung môi dùng để tạo phức kết tủa định hướng, ketone béo có cơng thức cấu tạo R1 COR , R R mạch thẳng nhánh, có từ 1- nguyên tử C; và/hoặc dẫn xuất phenol có cơng thức cấu tạo R R PheOH, R3 R4 H, alkyl có từ 1-4 nguyên tử C; và/hoặc dẫn xuất benzene có cơng thức cấu tạo R5 R Phe R5 R6 H, alkyl có từ 1-4 nguyên tử C, hoăc R R tao nên gốc phenol -Các dung mơi thích hợp tạo kết tủa định hướng nhiều α-cyclodextrin γcyclodextrin: ketone béo mạch thấp acetone, diethyl ketone, methylethyl ketone, methylpropyl ketone, methylisobutyl ketone; dẫn xuất phenol 1naphthol, 2-naphthol, 2,4-dimethylphenol, 2,6-dimethylphenol, Dịch sau trình tổng hợp cyclodexrin thêm dung mơi đạt 40% αcyclodextrin Các dung môi sử dụng định hướng kết tủa γ-cyclodextrin thường dạng hỗn hợp 1:1 dung môi methylethyl ketone and 2,4-dimethyl phenol, methylethyl ketone 1-naphthol Dịch sau trình tổng hợp cyclodextrin thêm dung mơi đạt 35% γ-cyclodextrin Bảng : Hỗn hợp sau trình tổng hợp định hướng α-cyclodextrin 31 methylethyl ketone (MEK), methylisobutyl ketone (MIBUK) 2,4-dimethylphenol (2,4-DMP), methylpropyl ketone (MEPROK) Bảng : Hỗn hợp sau trình tổng hợp định hướng β-cyclodextrin methylethyl ketone (MEK), methylisobutyl ketone (MIBUK) 2,4-dimethylphenol (2,4-DMP) Bảng : Hỗn hợp sau trình tổng hợp định hướng γ-cyclodextrin 32 methylethyl ketone (MEK), methylisobutyl ketone (MIBUK) 2,4-dimethylphenol (2,4-DMP)  Thông số công nghệ: - Tổng hợp cyclodextrin: Thời gian t = 50 phút Nhiệt độ t0 = 550C - Thêm dung môi: Thời gian t = 24 Nhiệt độ t0 = 550C  Các biến đổi diễn trình: cyclodextrin tổng hợp định hướng ảnh hưởng dung môi tạo huyền phù phức dung môi cyclodextrin Nhiệt độ nâng lên đến 550C; phân tử tinh bột với chiều dài khối lượng phân tử lớn mà không tham gia vào phản ứng tổng hợp cyclodextrin bị thủy phân e Lọc kết tủa, trao đổi ion, kết tinh: tương tự quy trình So sánh quy trình: Sự khác biệt lớn quy trình có khơng sử dụng dung mơi có tính ưu tiên Quy trình khơng sử dụng dung mơi có thuận lợi cyclodextrin nhận từ q trình khơng sử dụng dung mơi có tính độc hại quy trình sử dụng rộng rãi thực phẩm dược phẩm Nhược điểm quy trình tính chất độc hại tự nhiên hợp chất bao, phải xử lý lượng lớn chất lỏng thải loại hệ thống không sử dụng dung môi hệ thống tách trao đổi ion Quy trình khơng sử dụng dung mơi thường phức tạp Quá trình sử dụng HCl để phục hồi nhựa trao đổi ion phân hủy cấu trúc đường khử, làm giảm hiệu suất trình làm giảm độ tinh khiết sản phẩm Lượng cyclodextrin thu quy trình khơng lớn dùng enzyme saccharogenic thủy phân phần cyclodextrin tạo thành độ tinh khiết sản phẩm β-cyclodextrin không cao Hơn nữa, quy trình khơng thu sản lượng lớn dịch βcyclodextrin thành phần loại cyclodextrin không nhiều, α- cyclodextrin α- cyclodextrin có ứng dụng thực tế lớn PhầnIV Sản phẩm tiêu chất lượng sản phẩm I Khái quát chung: 1.Độ độc: Là tinh bột biến tính, cyclodextrin nói chung xem khơng độc nhiên, βcyclodextrin tạo phức không tan với cholesterol ảnh hưởng đến chức thận nên nên sử dụng hấp thụ ngồi đường tiêu hóa hàm lượng sử dụng nên mg/kg Cả α-cyclodextrin γ-cyclodextrin có hàm lượng hấp thụ hàng ngày (ADI) xem “không xác định” JECFA (Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives) γ-cyclodextrin hấp thu đường ruột 2.Tính chất thực phẩm Cả loại cyclodextrin cho thấy khả lưu chuyển tốt, đặc tính sản phẩm kiểm sốt có: - Độ bền nhiệt (< 200 °C) 33 - Rất bền dung dịch kiềm (pH < 14) - Bền dung dịch acid (pH > 3) - Tương thích sinh học Cyclodextrin có phân tử lượng nhỏ có độ nhớt thấp có ứng dụng rộng rãi thực phẩm - γ-cyclodextrin có khả tạo phức với nhiều loại phân tử chất hữu với tính tan tốt nước nên có ứng dụng mạnh -Cyclodextrin bị thủy phân acid mạnh tỉ lệ thủy phân thấp maltooligosaccharide mạch thẳng không bị phân hủy pH kiềm Cyclodextrin khơng có phản ứng Maillard khơng có đầu khử Hơn nữa, cyclodextrin khơng có nhóm chức phản ứng nên chúng khơng có phản ứng hóa học với thành phần thực phẩm 3.Khả hấp thu chất dinh dưỡng Đánh giá hợp chất tan chất béo, hợp chất cần tạo phức hệ bao thể với cyclodextrin tạo phức tan Đánh giá chủ yếu lipid vitamin, cho thấy khả hấp thụ thấp, nhiên có nhiều trường hợp chưa có chứng rõ ràng trường hợp phức hệ bao thể α-cyclodextrin vitamin K thí nghiệm in vitro cho thấy có khả tạo phức hệ bao thể với vitamin K lớn cyclodextrin khác Bảng 1: Độ tan (μg/mL) nước vitamin A, D, E K với loại cyclodextrin nồng độ 5% đo quang phổ khối Vitamin Control (saline) -cyclodextrin -cyclodextrin solution solution solution cyclodextrin solution Vitamin A acetate