Nghiên cứu ứng dụng công nghệ enzim để sản xuất và sử dụng chức năng xylooligosacarit từ các phế phụ liệu giàu xylan

VIỆN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ENZIM ĐỂ SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG CHỨC NĂNG XYLOOLIGOSACARIT TỪ CÁC PHẾ PHỤ LIỆU GIÀU XYLAN CNĐT: TRỊNH THỊ KIM VÂN 8396 HÀ NỘI – 2010 MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU 1 Chương I: TỔNG QUAN 1.1 Đường chức năng OS 3 1.1.1 Khái niệm và những đặc tính sinh học của OS 3 1.1.2 Oligosacarit và những ứng dụng chính 4 1.2 Đường chức năng XOS 1.2.1 Cấu trúc tự nhiên của XOS 8 1.2.2 Đặc tính của XOS 8 1.3 Nguyên liệu cho sản xuất đường XOS 11 1.3.1 Thành phần hoá học của gỗ 11 1.3.2 Đặc tính c ủa hemicellulose 15 1.3.2.1 Đặc tính của xylan 16 1.3.2.2 Enzyme xylanase 17 1.4. Phương pháp sản xuất XOS 19 1.4.1 Các phương pháp xử lý nguyên liệu 19 1.4.2. Các phương pháp thủy phân đường XOS 20 1.4.3 Thu nhận và tinh sạch đường XOS 20 1.4.4 Tạo dạng sản phẩm đường XOS 23 1.5 Tiềm năng cho sản xuất XOS tại Việt Nam 23 1.6 Chanh leo 25 1.6.1 Giới thiệu về chanh leo 25 1.6.2 Công dụng của chanh leo 26 1.6.3 Đồ uống từ chanh leo 26 1.7. Rau má 26 1.7.1 Giới thiệu về rau má 26 1.7.2 Công d ụng của rau má 27 1.7.3 Nghiên cứu sản xuất và chế biến rau má 28 Chương II: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu và hóa chất chính 30 2.1.1 Nguyên liệu 30 2.1.2 Hóa chất và các chất chuẩn 30 2.2 Các thiết bị chính 30 2.2.1 Thiết bị trên phòng thí nghiệm 30 2.2.2 Thiết bị công nghệ 31 2.3 Phương pháp 31 2.3.1 Phương pháp phân tích 31 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu 34 2.3.2.1 Phương pháp lựa chọn nguyên liệu 34 2.3.2.2 Phương pháp xử lý nguyên liệu 34 2.3.2.3 Phương pháp trích ly xylan 35 2.3.2.4 Phương pháp thủ y phân xylan 35 2.3.2.5 Phương pháp tinh sạch đường XOS bằng hấp phụ 35 2.3.2.6 Phương pháp tinh sạch bằng trao đổi ion 35 2.5 Các quy trình công nghệ cơ sở 37 2.5.1 Quy trình sản xuất đường XOS dạng dịch 37 2.5.2 Quy trình sản xuất đường XOS dạng bột 37 2.5.3 Quy trình sản xuất Chanh leo - XOS 37 2.5.4 Quy trình sản xuất Rau má - XOS 37 Chương III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Nghiên cứu lựa chọn, xử lý nguyên liệu và trích ly xylan cho sản xuất XOS 38 3.1.1 Nghiên cứu lự a chọn nguyên liệu 39 3.1.2 Nghiên cứu xử lý nguyên liệu 40 3.1.2.1 Xử l ý lõi ngô ướt 41 3.1.2.2 Xử l ý lõi ngô khô 41 3.1.2.3 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến khả năng trích ly xylan 42 3.1.3 Nghiên cứu trích ly xylan từ lõi ngô trong sản xuất đường XOS 43 3.1.3.1 Nghiên cứu phá vỡ cấu trúc tự nhiên của lõi ngô trước trích ly 43 3.1.3.2 Nghiên cứu trích ly xylan 48 3.2 Nghiên cứu lựa chọn enzyme và xác định các điều kiện thủy phân xylan 3.2.1 Nghiên cứu lựa chọn enzyme xylanase 52 3.2.1.1 Lựa chọn sơ bộ 52 3.2.1.2 Nghiên cứu đặc điểm đa ho ạt tính của các loại enzyme 52 3.2.1.3 Nghiên cứu khả năng xúc tác tạo sản phẩm của các loại enzyme 53 3.2.1.4 Nghiên cứu một số đặc tính của enzyme Trung Quốc 55 3.2.1.5 Nghiên cứu điều kiện thủy phân Xylan 59 3.3 Nghiên cứu thu nhận và tinh sạch sản phẩm trong công nghệ sản xuất đường XOS từ lõi ngô 69 3.3.1 Hấp phụ than hoạt tính và đất trợ lọc 70 3.3.1.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ than hoạ t tính đến hiệu suất tinh sạch 70 3.3.1.2 Ảnh hưởng của đất trợ lọc đến hiệu suất tinh sạch 71 3.3.1.3 Ảnh hưởng của thời gian xử lý chất hấp phụ 72 3.3.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ đến hiệu quả tinh sạch 73 3.3.2 Tinh sạch bằng trao đổi ion 74 3.3.2.1 Lựa chọn hạt trao đổi ion và các thao tác cơ bản trong xử lý 74 3.3.2.2 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình tinh sạch 75 3.3.3 Loại các tạp chất dễ bay hơi bằng phương pháp cô đặc hoặc sấy phun 78 3.4 Sản xuất thử nghiệm đường XOS dạng dịch trên mô hình thiết bị quy mô công suất 50 lít/ca 3.4.1 Lắp đặt mô hình thiết bị 81 3.4.1.1 Lựa chọn tập hợp thiết bị 81 3.4.1.2 Mặt bằng bố trí thiết bị 82 3.4.1.3 Vận hàng chạy thử không tải các thiết bị 84 3.4.2 Nghiên cứu công nghệ sản xuất XOS dạng dịch ở quy mô sản xuất 86 3.4.2.1 Nghiên cứu xử lý nguyên liệu 86 3.4.2.2 Nghiên cứu trích ly xylan 88 3.4.2.3 Nghiên cứu thủy phân xylan 90 3.4.2.4 Nghiên cứu tinh sạch và hoàn thiện sản phẩm 91 3.4.3 Sản xuất thử nghiệm đường XOS dạng dịch trên mô hình thiết bị quy mô công suất 50 lít/ca 96 3.4.3.1 Định mức nguyên liệu 96 3.4.3.2 Thực nghiệm sản xuất 96 3.5 Nghiên cứu sản xuất thử nghiệm đường XOS dạng bột công suất 50hộp/ca 3.5.1 Lắp đặt mô hình thiết bị 99 3.5.1.1 Lựa chọn tập hợp thiết bị 99 3.5.1.2 Mặt bằng bố trí thiết bị 101 3.5.1.3 Vận hành chạy thử không tải các thiết bị 103 3.5.2 Nghiên cứu công nghệ sản xuất XOS d ạng bột 103 3.5.2.1 Nghiên cứu xử lý nguyên liệu 104 3.5.2.2 Nghiên cứu trích ly xylan 106 3.5.2.3 Nghiên cứu thủy phân xylan 106 3.5.2.4 Nghiên cứu tinh sạch và hoàn thiện sản phẩm 107 3.5.3 Sản xuất thử nghiệm đường XOS dạng bột trên mô hình thiết bị quy mô công suất 50 hộp/ca 111 3.5.3.1 Định mức nguyên liệu cho một ca sản xuất 111 3.5.3.2 Thực nghiệm sản xuất 111 3.6. Nghiên cứu công nghệ sản xuất sản phẩm đồ u ống chanh leo - XOS 3.6.1 Nghiên cứu lựa chọn, phân tích đánh giá và xử lý nguyên liệu cho sản xuất sản phẩm CHANH LEO– XOS 115 3.6.1.1 Lựa chọn nguyên liệu 115 3.6.1.2. Phân tích thành phần quả chanh leo 117 3.6.1.3 Xử lý nguyên liệu 117 3.6.2 Nghiên cứu công thức phối trộn cho sản phẩm CHANH LEO – XOS 120 3.6.2.1 Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn đường XOS 121 3.6.2.2 Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn dịch quả chanh leo 121 3.6.2.3 Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn maltodextrin 121 3.6.2.4 Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn đường kính 122 3.6.2.5 Xác định công thức phối trộn dịch trước sấy phun 122 3.6.2.6 Xác định công thức phối trộn sản phẩm cuối cùng 123 3.6.3 Nghiên cứu các thông số công nghệ cho sản xuất đồ uống chức năng Chanh leo – XOS 124 3.6.3.1 Quy trình công nghệ 3.6.3.2 Diễn giải quy trình 125 3.7 Nghiên cứu công nghệ sản xuất sản phẩm đồ uống rau má - XOS 130 3.7.1 Nghiên cứu lựa chọn, phân tích đánh giá và xử lý nguyên liệu cho sản xuất sản phẩm Rau má– XOS 130 3.7.1.1 Lựa chọn nguyên liệu 130 3.7.1.2 Phân tích thành phần cây rau má 132 3.7.1.3. Xử lý nguyên liệu 132 3.7.2 Nghiên cứu công thức phối trộn cho sản xuất Rau má – XOS 134 3.7.2.1 Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn đường XOS 134 3.7.2.2 Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn dịch chiết rau má 135 3.7.2.3 Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn maltodextrin 135 3.7.2.4. Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn đường kính 136 3.7.2.5 Xác định công thức phối trộn dịch trước sấy phun 136 3.7.2.6 Xác định công thức phối trộn sản phẩm cuối cùng 137 3.7.3 Nghiên cứu các thông số công nghệ cho sản xuất đồ uống Rau má – XOS 138 3.7.3.1 Quy trình công nghệ 139 3.7.3.2 Diễn giải quy trình 139 3.8 Nghiên cứu sản xuất thử nghiệm chanh leo-XOS và Rau má -XOS 3.8.1 Nghiên cứu sản xuất thử nghiệm sản phẩm Chanh leo – XOS 146 3.8.1.1 Lắp đặt mô hình thiết bị 146 3.8.1.2 Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất thử nghiệm 151 3.8.1.3 Tính toán hiệu quả kinh tế 153 3.8.2 Nghiên cứu sản xuất thử nghiệm sản phẩm Rau má – XOS 155 3.8.2.1 Lắp đặt mô hình thiết bị 155 3.8.1.2 Xây d ựng quy trình công nghệ sản xuất thử nghiệm 156 3.8.2.3 Tính toán hiệu quả kinh tế 159 Chương VI: CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 4.1 Các kết quả chính đề tài đã đạt được 162 4.2 Tác động đối với kinh tế, xã hội và môi trường 167 KẾT LUẬN 168 KIẾN NGHỊ 171 TÀI LIỆU THAM KHẢO 172 PHỤ LỤC BẢNG CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết thường CNTP DNS FOS XOS RS TS TLC Xl X2 X3 X4 [S] [E] THT ĐTL NL XTN PTN Công nghiệp thực phẩm Dinitro Salicylic Fructooligosacarit Xylooligosacarit Đường khử Đường tổng Sắc ký bản mỏng (Thin layer Chromatorgraphy) Xylose Xylobiose Xylotriose Xylotetraose Nồng độ cơ chất. Nồng độ enzyme Than hoạt tính Đất trợ lọc (Điatomit) Nguyên liệu Xưởng thực nghiệm Phòng thí nghiệm DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Tên hình Trang 1.1 Những tính chất tăng cường sức khoẻ nhờ Bifidobacteria 4 1.2 Những ứng dụng chính của Oligosacarit 5 1.3 Thành phần cấu tạo chủ yếu của đường xylooligosacarit 9 1.4 Thành phần cấu tạo cơ bản của gỗ 11 1.5 Cấu trúc của cellulose trong gỗ 12 1.6 Các loại cấu trúc tiêu biểu của hemicellulose 14 1.7 Liên kết trong hợp chất lignin-polysacarit 15 1.8 Chuỗi Xylan 16 1.9 Cấu trúc của một đoạn xylan và các mối liên kết mà enzim xylanolytic có thể tấ n công để phân cắt 17 1.10 Các phương pháp tinh sạch đường XOS 21 1.11 Hình ảnh cây rau má 27 3.1 Lưu trình sản xuất xylooligosacarit 38 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly 49 3.3 Ảnh hưởng của thời gian trích ly 49 3.4 Sắc ký đồ TLC định tính sản phẩm của phản ứng 55 3.5 Đồ thị Lineweaver- Burk xác định Km và Vmax 56 3.6 Động học quá trình thủy phân xylan thành đường XOS 58 3.7 Ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân xylan trong dịch chiết lõi ngô 61 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân xylan trong dịch chiết lõi ngô 62 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến quá trình thủy phân xylan 63 3.10 Sự biến đổi của độ polymer trung bình của đường hòa tan trong dịch theo thời gian thủy phân 64 3.11 Ảnh hưởng của nồng độ enzim 65 3.12 Động học quá trình thủy phân xylan trong d ịch chiết lõi ngô 66 3.13 Sắc ký đồ TLC xác định thành phần dịch đường của các mẫu thủy phân 67 3.14 Sơ đồ phân giải xylan trong quá trình xử lý và phản ứng enzyme 69 3.15 Các phương pháp tinh sạch đường XOS 70 3.16 Ảnh hưởng của thời gian xử lý chất hấp phụ 73 3.17 Sắc ký đồ TLC của các mẫu dịch đường trước và sau sấy và cô 79 3.18 Quy trình thu nhận và tinh sạch đường XOS 80 3.19 Quy trình sả n xuất đường XOS dạng dịch quy mô 50 lít/ca 95 3.20 Quy trình sản xuất đường XOS dạng bột quy mô 50 hộp/ca 110 3.21 Quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm CHANH LEO – XOS 127 3.22 Quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm RAU MÁ – XOS 143 [...]... xylooligosacarit từ các phế phụ liệu giàu xylan Mục tiêu chính đề tài đặt ra là: “Xây dựng quy trình công nghệ và mô hình thiết bị để sản xuất đường chức năng xylooligosacarit (XOS) bằng công nghệ enzyme từ nguồn phế phụ liệu giàu xylan và sử dụng chúng trong sản xuất một số sản phẩm thực phẩm đồ uống chức năng Để thực hiện được mục tiêu trên, các đối tượng mà đề tài sẽ tập trung nghiên cứu là các phế phụ liệu. .. mỹ phẩm… Xylooligosacarit (XOS) là một loại đường oligo mang đầy đủ các đặc tính sinh học đã kể trên, ý nghĩa giá trị của nó còn lớn hơn nhiều vì nguồn nguyên liệu sản xuất ra chúng lại là từ các phế phụ liệu nông nghiệp rẻ tiền, sẵn có Xuất phát từ những lợi ích đã phân tích, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ enzyme để sản xuất và sử dụng đường chức năng xylooligosacarit. .. khi sản phẩm tạo thành các monosacarit và các disacarit Còn 18 exo- enzyme tác dụng đầu tiên lên các mạch dài xylan từ đầu không khử và cứ thế cắt từng 1 hoặc 2 đơn vị xylan tạo thành các monosacarit và disacarit Để thu được hiệu quả và mức độ thủy phân cao, người ta thường phải sử dụng kết hợp thêm một số enzyme hỗ trợ khác Tùy thuộc vào mục đích của việc thủy phân, mà người ta sử dụng hỗn hợp các. .. 3.2.1.8), exo-β-xylanase (3.2.1.9.2) và βglucaxylanase (EC 3.2.1.37) Để có thể triệt để thuỷ phân xylan, ngoài các loại xylanase nói trên còn cần sử dụng thêm ethylestease (EC 3.1.1.6) Các nghiên cứu về enzyme cắt mạch thẳng (mạch chủ) của xylan được nghiên cứu nghiều hơn so với enzyme cắt mạch nhánh Tính đa hệ của xylanase có nguồn gốc từ tính đa dạng liên kết trong cấu trúc của cơ chất xylan Các mối liên... bông, trấu gạo; Các enzyme thủy phân hemicellulose, xylan ; Các công nghệ tiên tiến trong ứng dụng enzyme, tinh sạch sản phẩm, tạo dạng sản phẩm Phạm vi nghiên cứu là từ khâu nguyên liệu đến khâu thành phẩm ở các quy mô từ phòng thí nghiệm đến xưởng thực nghiệm và đặc biệt là có sản phẩm bán giới thiệu trên thị trường 2 Chương I TỔNG QUAN 1.1 Đường chức năng Oligosacarit (OS) 1.1.1 Khái niệm và những đặc... một các vi sinh vật sản xuất ra enzyme gây ung thư 1.1.2 Oligosacarit và những ứng dụng chính Oligosacarit được thu từ những nguồn thiên nhiên có lợi ích rất quan trọng khi là chất bổ sung trong công nghiệp thực phẩm và là mục tiêu nghiên cứu cho một vài ứng dụng về dược phẩm 4 Oligosacarit CNTP Dược phẩm Tiền thân cho các loại thuốc kháng virút và kháng ung thư Thành phần của các thực phẩm chức năng. .. những nhu cầu về XOS ngày càng tăng hàng năm Việc sản xuất XOS theo báo cáo của Công ty Suntory đã tăng từ 70 tấn vào năm 1994 cho đến hơn 300 tấn vào năm 1996 Trong năm 2000 có khoảng 60 công ty sử dụng XOS trong khoảng 100 sản phẩm (ví dụ như Yoghurina sản xuất bởi Công ty Suntory, 10 Marushige Genkisu sản xuất bởi Công ty Marushige Ueda…) Ngày nay các sản phẩm có chứa XOS không chỉ phổ biến tại Nhật... việc nghiên cứu sản xuất và sử dụng các đường trên để thay thế một phần các loại đường truyền thống trong thực phẩm hiện đang là vấn đề được nhiều người quan tâm Với việc sử dụng sản phẩm thực phẩm có chứa Prebiotic dạng đường oligose sẽ giúp cho con người giảm được các bệnh như tiểu đường, sâu răng, tim mạch, ung thư và các bệnh về đường tiêu hóa Ngoài ra nó còn là nguồn nguyên liệu quý cho các ngành... cơ thể ở tỷ lệ kiểm soát Các ete và este được chuyển hoá từ Xylan và XOS có thể được tổng hợp thành các loại chất dẻo sinh học, film hoà tan trong nước, vỏ bọc thuốc và viên nén thuốc Và còn nhiều ứng dụng khác trong dược phẩm 7 Như vậy, Oligosacarit được ứng dụng rất nhiều trong hai lĩnh vực quan trọng là Công nghiệp thực phẩm và Công nghiệp dược phẩm Nguồn nguyên liệu sản xuất Oligosacarit lại khá... 4-O-methylete, L-arabinose và/ hoặc các Oligosacarit tạo thành từ D-Xylose, L-arabinose, D- hoặc L-galactose và D-glucose) Hình 1.8: Chuỗi Xylan Xylan có thể được chia thành homoxylan và heteroxylan bao gồm: Glucoroxylan, (arabino) glucuronoxylan, (glucurono) arabinoxylan, arabinoxylan và tổ hợp heteroxylan Xylan khi hoàn toàn là homopolyme (tìm thấy ở tảo biển Palmariales và Nemaliales), mạng lưới của