Tạo ra được một sản phẩm mong muốn thông qua con đường sử dụng phản ứng thủy phân bằng enzym thường rất phức tạp, mất nhiều thời gian và tốn công do phải thí nghiệm quá nhiều cho đến lúc
NGUYỄN HẢI ĐỨC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỐN HỌC ĐỂ CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐIỀU KHIỂN KẾT THÚC QUÁ TRÌNH THUỶ PHÂN TINH BỘT SẮN (MANIHOT ESCULANTA) BẰNG ENZYM NGUYỄN HẢI ĐỨC 2005-2007 Hà Nội 2007 HÀ NỘI 2007 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131699811000000 Phần I MỞ ĐẦU Từ xưa đến nay, thực phẩm mối quan tâm hàng đầu vấn đề trì phát triển xã hội loài người Cùng với phát triển tiến khoa học kĩ thuật, ngành khoa học chế biến thực phẩm phát triển tương xứng, tạo sản phẩm đa dạng, đáp ứng nhu cầu ngày khắt khe người tiêu dùng Phản ứng thủy phân enzym mắt xích quan trọng chuỗi cung cấp thực phẩm Các sản phẩm tạo thơng qua đường thường có tính chất riêng biệt, đặc trưng có giá trị dinh dưỡng cao như: sữa chua, phomat, dưa muối, kim chi, đồ uống lên men: rượu vang Sau qua trình phản ứng, sản phẩm biến đổi mạnh mẽ từ thành phần bên sản phẩm Có biến đổi có tính đột biến tác động đồng thời nhiều yếu tố lên chất với chế phản ứng đặc biệt phức tạp mà nhà khoa học tiếp tục tìm hiểu chế chúng Tạo sản phẩm mong muốn thông qua đường sử dụng phản ứng thủy phân enzym thường phức tạp, nhiều thời gian tốn cơng phải thí nghiệm q nhiều (cho đến lúc tạo sản phẩm mong muốn) thí nghiệm thay đổi yếu tố tác động lên q trình phản ứng Các phương pháp thường khơng ổn định, dễ gây sai số, không đến chất q trình khơng nắm rõ tác động tương hỗ yếu tố tham gia vào trình thủy phân, đồng thời khơng thấy xu hướng trình biến đổi đồng thời yếu tố ảnh hưởng Với mong muốn tạo sản phẩm ý thơng qua q trình thủy phân, luận văn nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học điều khiển kết thúc trình phản ứng thủy phân enzym Trong loại enzym biết tới, enzym thủy phân tinh bột đóng vai trị quan trọng có nhiều ý nghĩa việc tạo sản phẩm nguyên liệu tạo nhiều sản phẩm thuộc nhiều ngành công nghiệp khác công nghiệp bánh kẹo, đồ uống, mỹ phẩm… Trong luận văn lựa chọn enzym thủy phân tinh bột sử dụng bột sắn làm đối tượng nghiên cứu Luận văn giải vấn đề sau đây: Lựa chọn phương pháp thuỷ phân bột sắn Lựa chọn nguyên liệu loại enzym phù hợp cho thực phản ứng thuỷ phân Xây dựng phương pháp thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm lấy số liệu Xây dựng đường hồi quy thực nghiệm dựa số liệu có Đưa phương pháp để lựa chọn kết đầu theo mong mong muốn Đây coi điểm kết thúc trình phản ứng Đưa kết luận phương pháp điểm cần phát triển, đòi hỏi có thời gian nghiên cứu sâu Phần II TỔNG QUAN II.1 Cấu tạo thành phần hóa học sắn Cây sắn – khoai mỳ (Manihot esculenta Crantz) số có củ mọc 80 quốc gia có khí hậu nhiệt đới ẩm giới Ở nước ta sắn phân loại thành: + Sắn đắng: loại lớp vỏ dày củ có màu trắng, thân thấp, đốt ngắn, cuống màu tím, tán xum xuê Loại cho lượng tinh bột cao, suất cao tương đối ổn định + Sắn ngọt: chứa độc tố, ăn tươi, cuống màu xanh, đốt dài, vỏ củ dày màu trắng gọi sắn xanh + Sắn đỏ: cuống màu tím, cao, vỏ củ màu đỏ, cuống củ dài đến 10 ÷ 12 cm Loại 12 tháng cho tỷ lệ tinh bột cao + Sắn chuối: củ mập, cuống củ nhỏ, xếp củ xung quanh nải chuối, vỏ củ dày màu hồng + Sắn nghệ: loại sắn khơng trồng phổ biến Loại có vỏ dày màu vàng Trong sắn củ sắn nơi có nhiều tinh bột Cấu tạo củ sắn gồm ba phần chính: vỏ, thịt củ lõi; ngồi cịn có cuống rễ củ Vỏ gồm vỏ gỗ vỏ cùi Vỏ gỗ có màu nâu xẫm, chủ yếu cellulose Lớp vỏ mỏng cứng, có nhiệm vụ bảo vệ phần bên không bị tác động bên ngoài, đồng thời hạn chế nước củ Vỏ gỗ liên kết không bền với vỏ cùi, dễ thu hoạch vận chuyển Tỷ lệ vỏ gỗ phụ thuộc giống sắn độ già khối lượng củ, thường vào khoảng 1,5 ÷ 2% Vỏ cùi dày khoảng ÷ mm chiếm ÷ 15% khối lượng củ Vỏ cùi gồm lớp tế bào mơ cứng phủ ngồi Thành phần lớp chủ yếu cellulose, không chứa tinh bột chứa nhiều dịch bào (mủ sắn) Trong thành phần dịch bào có chứa polyphenol Tiếp theo lớp tế bào mơ mềm, lớp ngồi dịch cịn có chứa khoảng 5% tinh bột Các polyphenol, enzym linamarin có tác dụng bảo vệ củ phát triển bình thường trước thu hoạch, lại gây trở ngại cho bảo quản chế biến Tổng lượng chất polyphenol sắn khoảng 0,1 ÷ 0,3%, đến 85 ÷ 90% tập trung vỏ cùi Sau vỏ cùi khe mủ - nơi lưu thông vỏ cùi thịt củ Do tác dụng nên liên kết vỏ cùi với thịt sắn không bền, dễ tách vỏ khỏi thịt sắn Lớp nối tiếp tầng sinh gỗ Tiếp sau tầng sinh gỗ thịt sắn chứa nhiều tinh bột, protein chất dầu Hàm lượng tinh bột thịt sắn phân bố không đồng đều, lớp thịt gần vỏ cùi chứa nhiều tinh bột gần lõi củ lượng tinh bột giảm Các chất polyphenol, độc tố enzym chứa thịt củ khơng nhiều, 10 ÷ 15% so với chúng có củ gây trở ngại chế biến làm biến màu, sắn bị chảy mủ khó nước sấy phơi khơ Lõi sắn nằm trung tâm củ, chạy suốt từ đầu đến cuối củ Thành phần lõi sắn chủ yếu cellulose Lõi có chức dẫn nước chất dinh dưỡng củ, đồng thời giúp nước sấy phơi khơ Thành phần hóa học củ sắn tươi phụ thuộc vào giống loại, thời tiết, điều kiện canh tác phụ thuộc thời gian đào dỡ sắn Thành phần hóa học sắn tươi sau: Bảng II-1 Thành phần hóa học trung bình sắn tươi Thành phần hóa học Củ sắn vàng Củ sắn trắng Nước (%) 63,18 61,90 Tinh bột (%) 34,20 32,90 Protein (%) 0,61 0,43 Lipit (%) 0,20 0,24 Tro (%) 0,05 0,83 VTM B 31 gamma 58 gamma VTM B 75 gamma 75 gamma Tinh bột thành phần chất khơ sắn, chiếm từ 72 ÷ 84% tùy theo loại sắn Protein sắn ít, chúng liên kết với tế bào xơ bọc hạt tinh bột Protein hòa tan dịch hỗn hợp sau mài xát Trong q trình sản xuất khơng bị biến tính, khơng ảnh hưởng đến trình tách tinh bột liên kết tế bào xơ tinh bột liên kết khơng bền vững Chất khống sắn gồm có Ca, Mg, K, Na, P Sắn cịn chứa lượng độc tố có tên phaseolunatin Chất khơng tan rượu, ete, hịa tan nhiều nước Dưới tác dụng HCl enzym, phaseolunatin bị phân hủy giải phóng HCN HCN sinh tác dụng với sắt tạo thành chất có màu xanh Vì chế biến khơng tách nhựa sớm tinh bột sắn có màu xanh xám Tanin sắc tố sắn làm cho bột sắn có màu xám Vì q trình chế biến sắn, tannin dễ bị oxy hóa O khơng khí tác dụng với sắt (của thiết bị) tạo thành sắt tannate Nước củ sắn cao (> 60%), thúc đẩy hoạt động sinh lý sắn phát triển vi sinh vật sắn, làm sắn dễ hư hỏng Đồng thời sắn cịn có nhiều loại enzym hoạt động Muốn bảo quản sắn lâu ngày, người ta thái sắn thành lát chế biến thành bột phơi sấy đến độ ẩm thích hợp II.2 Đặc tính nguyên liệu tinh bột Tinh bột polysaccharide chủ yếu có hạt hịa thảo, củ, thân Lượng tinh bột hạt ngơ lúa mỳ vào khoảng 60 ÷ 75% Trong hạt lúa đạt từ 75 ÷ 80% Tinh bột có nhiều loại củ khoai tây, sắn, củ mài Một lượng tinh bột đáng kể thấy loại nhiều loại rau Tinh bột có vai trị dinh dưỡng đặc biệt lớn q trình tiêu hóa chúng bị thủy phân thành đường glucose chất tạo nên nguồn calo thực phẩm cho người [16] Trong hạt, tinh bột tồn dạng hạt có kích thước biến đổi từ 0,02 ÷ 0,12 mm Hạt tinh bột loại hạt khác có hình dáng kích thước khác Hạt tinh bột khoai tây có kích thước lớn cả, cịn hạt tinh bột lúa có kích thước nhỏ Hạt tinh bột lúa mỳ, lúa mạch có cấu tạo đơn giản cịn hạt tinh bột ngơ lúa có cấu tạo phức tạp Khi tác dụng với iodine tinh bột cho màu đặc trưng Phản ứng dùng để định tính tinh bột[3,17] II.2.1 Cấu tạo tinh bột Tinh bột khơng phải chất riêng biệt Nó bao gồm hai cấu tử amylose (AM) amylopectin (AP) AM thường chiếm 12 ÷ 25%, cịn AP chiếm 75 ÷ 85% phân tử tinh bột [16] AM AP α-polysaccharide gốc α-D-glucose cấu tạo nên AM có trọng lượng phân tử từ 3,10 ÷ 1,10 cấu tạo từ 200 ÷ 2000 gốc D-glucose Các gốc glucose nối với liên kết α-1,4 glucoside tạo thành mạch xoắn dài Cấu trúc xoắn giữ vững nhờ liên kết hydro tạo thành nhóm OH tự Chiều dài cực đại phân tử AM đạt tới 7000 Å Mỗi vòng xoắn của mạch AM gồm gốc glucose có chiều dài mạch 10,6 Å Trong dung dịch mạch xoắn AM co lại, vòng xoắn lớn lên gồm gốc glucose [17] Hình II-1 Cấu trúc Amylose AP cấu tạo từ 600 ÷ 37000 gốc D-glucose Chúng gắn với liên kết α-1,4 α-1,6 glucoside Chiều dài trung bình mạch có nhánh tự gồm 21 ÷ 27 gốc glucose (có trường hợp 15 ÷ 18 gốc) AP có phân tử lượng khoảng 107 ÷ 108 phân tử lượng AM khoảng 5.105 ÷ 106 Người ta cịn thấy số liên kết α-1,3 glucoside tinh bột Trong thành phần AP cịn có phosphor (0,012 ÷ 0,111%) Phosphor gắn vào nguyên tử carbon thứ gốc glucose Hình II-2 Cấu trúc Amylopectin II.2.2 Tính chất tinh bột Hai cấu tử tinh bột AM AP cấu tạo hóa học khác mà tính chất lý học khác hẳn AM tác dụng với iodine tạo thành phức hợp màu xanh iodine bị hấp phụ bề mặt phía mạch xoắn Khi đun nóng liên kết hydro bị cắt đứt chuỗi AM duỗi thẳng iodine bị tách khỏi AM, dung dịch màu xanh [3] AP cho màu tím với iodine kết hình thành hợp chất hấp phụ AM AP khác tính hịa tan: AM dễ hòa tan nước ấm tạo nên dung dịch có độ nhớt khơng cao, cịn AP hịa tan đun nóng tạo nên dung dịch có độ nhớt cao [16] Dung dịch AM không bền, nhiệt độ hạ thấp Các dung dịch đậm đặc AM nhanh chóng tạo nên dạng gel vơ định hình cứng rắn co dãn, lâu tạo nên dạng gel tinh thể kết tủa khơng thuận nghịch Vận tốc thối hóa phụ thuộc vào pH, vào có mặt ion, vào nồng độ AM khối lượng phân tử AM Khi thêm acid béo monoglyceride hình thành với AM phức hợp nhiều hịa tan, làm giảm trương phồng độ nhớt nấu chín lại bảo vệ phần khỏi thối hóa Cịn AP có mức độ kết tinh thấp nhiều so với AM [3,16] AP hấp thụ nhiều nước nấu chín thành phần chủ yếu tạo nên trương phồng hạt tinh bột Các hạt tinh bột giàu AP dễ hòa tan nước 95oC hạt tinh bột giàu AM Do có cồng kềnh lập thể nên phân tử AP khơng có xu hướng kết tinh chúng có khả giữ nước khác với phân tử AM Các dung dịch AP thông thường khơng bị tượng thối hóa [3,16] Tinh bột tự nhiên thường dạng hạt Chúng khác kích thước, hình dạng tỷ lệ AM/AP Tinh bột dạng hạt tinh bột chưa xử lý khó bị cơng enzym thủy phân [1] Khi hạt tinh bột xử lý đồng thời nhiệt ẩm xảy tượng hồ hóa: 55 ÷ 70oC hạt tinh bột trương phồng hấp thụ nước vào nhóm hydroxyl phân cực Khi độ nhớt huyền phù tinh bột tăng mạnh hạt trương phồng kết dính vào Nếu tiếp tục kéo dài việc xử lý thủy nhiệt gây nổ vỡ hạt tinh bột, thủy phân phần hòa tan phần phân tử cấu thành tinh bột, kèm theo giảm độ nhớt dung dịch Khi dung dịch đậm đặc tinh bột hình thành gel (độ nhớt lại tăng lên) lại tạo kết tủa Hiện tượng xảy với dung dịch đậm đặc làm lạnh nhanh chóng để n [16] II.2.3 Đặc tính bột sắn Tinh bột sắn thu từ quy trình xử lý ướt cịn bột sắn thu từ q trình nghiền sắn lát khô, qua rây để loại phần lớn chất xơ Thành phần chủ yếu bột sắn tinh bột, ngồi cịn có lượng nhỏ chất xơ, đường, protein, lipid… Tinh bột sắn có hai thành phần cấu tạo: AM chiếm 18 ÷ 22% AP chiếm 78 ÷ 80% Nhiệt độ bắt đầu hồ hóa tinh bột sắn 58oC, nhiệt độ hồ hóa 65 oC nhiệt độ hồ hóa hồn tồn 68 oC Kích thước hạt tinh bột sắn 15 ÷ 20 μm [19] S.N Morthy cộng nghiên cứu khác bột tinh bột đến kết cấu sản phẩm năm loại sắn khác cho thấy hàm lượng tinh bột chiếm 98% chất khô trở lên mẫu tinh bột sắn chiếm 79,1 ÷ 86,0% mẫu bột sắn Hàm lượng chất xơ thô mẫu tinh bột nhỏ 0,13%, từ 1,50 ÷ 2,98 % mẫu bột sắn Hàm lượng lipid dao động từ 0,11 ÷ 0,22% mẫu tinh bột từ 0,25 ÷ 0,56% mẫu bột (bảng II-2) Các chất chiết hòa tan cồn chiếm từ 2,5 ÷ 3,7% mẫu bột sắn 0,9 ÷ 1,3% mẫu tinh bột Sucrose đường bột sắn [23]