quy trình công nghệ sản xuất HFS
MỤC LỤC I. TỔNG QUAN 1.1. High fructose corn syrup (HFCS) 1.1.1. High fructose corn syrup (HFCS) 1.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng high fructose corn syrup 1.2. Glusose isomerase 1.2.1. Định nghĩa enzyme 1.2.1. Sơ lược enzyme glucose isomerase (GI) 1.2.2. Phản ứng đồng phân hóa 1.2.3. Động học phản ứng đồng phân hóa glucose thành fructose 1.3. Streptomyces flavogrieus 1.3.1. Đặc điểm hình thái, cấu trúc Streptomyces spp. 1.3.1.1. Cấu trúc tế bào và trao đổi chất 1.3.1.2. Đặc điểm của Steptomyces 1.3.2. Phân lập Streptomyces flavogrieus 1.3.3. Chiết xuất enzyme glucose isomerase 1.3.4. Xác định hoạt tính glucose isomerase II. CỐ ĐỊNH ENZYME GLUCOSE ISOMERASE 2.1. Đặc điểm của enzyme cố định 2.2. Các phương pháp cố định enzyme 2.3. Cố định enzyme glucose isomerase trên xilochrom B III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HFCS 3.1. So đồ chuyển hóa tinh bột thành siro fuctose. 3. 2.Thiết bị. I. TỒNG QUAN 1.1. High fructose corn syrup (HFCS) 1.1.1. High fructose corn syrup (HFCS) HFCS được gọi là isoglucose ở Anh và glucose-fructose ở Canada, và lần đầu tiên được giới thiệu cho ngành công nghiệp thực phẩm và nước giải khát trong cuối những năm 1960 (HFCS-42 vào năm 1967) và 1970 (HFCS-55 năm 1977) để cải thiện sự ổn định và chức năng khác nhau của thực phẩm và đồ uống. Chất làm ngọt Carbohydrate được sử dụng bởi vì nó tăng cường hương vị các loại thực phẩm khác nhau. Nó chủ yếu là monosaccharides như glucose, fructose, galactose và disaccharides như sucrose, lactose, maltose. Người ta tìm kiếm chất ngọt thay thế succrose và không nhiều calo để đảm bảo sức khỏe cho bệnh nhân tiểu đường, đồng thời kiểm soát cân nặng. Để sản xuất của HFCS tương đối ít kinh phí đã làm cho nó có thể trở thành một giải pháp thay thế hữu hiệu đối với sucrose và đường tự nhiên khác. Hiện chủ yếu người ta sản xuất hỗn hợp glucose (52%) và fructose (42%) từ tinh bột ngô với sản lượng hàng năm khoảng 10 triệu tấn sirô fructose HFCS (high-fructose corn syrup). Điều này càng trở nên thuận tiện hơn khi sử dụng glucose isomerase cố định sử dụng được nhiều lần (Nguyễn Tiến Thắng, 2010). Marshall và Kooi (1957) đã phát triển quy trình sản xuất high fructose corn syrup (HFCS). Ba loại HFCS được sử dụng phổ biến: HFCS-90 (90% fructose và glucose 10%) được sử dụng trong các ứng dụng chuyên biệt, nhưng quan trọng hơn hỗn hợp glucose syrup: HFCS-42 (42% fructose và glucose 58%) và HFCS-55 (55% fructose và glucose 45%). 1.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng high fructose corn syrup HFCS được sản xuất chủ yếu từ ngô. Ngô được ngâm để làm mềm hạt cứng, tiếp theo xay ướt và tách thành tinh bột ngô (từ nội nhũ); vỏ ngô, protein và dầu (từ mầm). Tinh bột ngô bao gồm các phân tử đường dài, bao gồm amylose và amylopectin và cần gia nhiệt hoặc thêm HCl cộng với hoạt động của ba loại enzyme khác nhau để phá vỡ nó thành đường glucose đơn giản và đường fructose trong HFCS. Một loại enzyme công nghiệp α- amylase sản xuất từ vi khuẩn Bacillus spp, thủy phân tinh bột ngô thành chuỗi ngắn dextrin và oligosaccharides. Một loại enzym thứ hai, glucoamylase (còn gọi là amyloglucosidase), được sản xuất từ nấm như Apergillus, phá vỡ dextrin và oligosaccharides thành đường đơn glucose. Các sản phẩm của hai loại enzyme là glucose syrup. Enzyme thứ ba và tương đối đắt tiền được sử dụng trong quá trình này là glucose isomerase (còn gọi là D-glucose ketoisomerase ketolisomerase D-xylose), có thể chuyển đổi giữa glucose với fructose. Α- amylase và glucoamylase được sử dụng chỉ một lần, glucose isomerase được tái sử dụng cho đến khi nó mất đi hầu hết các hoạt động enzyme của nó. α-amylase và glucoamylase được sử dụng tạo ra HFCS đã được biến đổi để cải thiện sự ổn định nhiệt trong việc sản xuất HFCS Sau khi tinh sạch và loại bỏ tạp chất, HFCS-90 được trộn với glucose syrup để sản xuất HFCS-55 (55% fructose) và HFCS-42 (42% fructose). Cả hai HFCS-55 và HFCS-42 có nhiều ưu điểm về chức năng giống nhau, nhưng mỗi loại có đặt tính đăc biệt làm cho nó phù hợp với các loại thực phẩm cụ thể.Vì hàm lượng fructose cao, HFCS-55 ngọt hơn đường sucrose và do đó được sử dụng rộng rãi như là chất tạo ngọt trong nước trái cây, và các đồ uống có gas. HFCS-42 có một vị ngọt nhẹ và không làm ẩn đi những hương vị tự nhiên của thực phẩm.Vì vậy, nó được sử dụng rộng rãi trong trái cây đóng hộp, nước sốt, súp, gia vị, bánh nướng, và nhiều loại thực phẩm chế biến khác. Nó cũng được sử dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp sữa như sữa chua, sữa hương vị, kem, và món tráng miệng đông lạnh khác.Việc sử dụng HFCS đã tăng lên kể từ khi được giới thiệu như là một chất làm ngọt. HFCS tương đối rẻ, ngọt hơn succose, hòa tan trong dung dịch tốt. HFCS là chất lỏng và do đó dễ dàng vận chuyển và sử dụng trong các công thức đồ uống nhẹ (Hanover và White, 1993).Nó cũng có tính axit , có khả năng bảo quản nên làm giảm việc sử dụng các chất bảo quản khác. 1.2. Glusose isomerase 1.2.1. Định nghĩa enzyme 1.2.1.1. Định nghĩa: Trong cơ thể sống (các tế bào) luôn luôn xảy ra quá trình trao đổi chất. Sự trao đổi chất mà ngừng lại thì sự sống sẽ không còn tồn tại. Quá trình trao đổi của một chất là tập hợp của rất nhiều các phản ứng hóa học phức tạp. Enzyme là hợp chất protein xúc tác cho các phản ứng hóa học đó. Chúng có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học nhất định và đảm bảo cho các phản ứng xảy ra theo một chiều hướng nhất định với tốc độ nhịp nhàng trong cơ thể sống. Enzyme có trong hầu hết các loại tế bào của cơ thể sống. Chính do những tác nhân xúc tác có nguồn gốc sinh học nên enzyme còn được gọi là các chất xúc tác sinh học (biocatalysators) nhằm phân biệt với các chất xúc tác hóa học. Chúng là chất xúc tác sinh học không chỉ có vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng, phát triển của mọi sinh vật mà nó còn giữ vai trò rất quan trọng trong các lĩnh vực khác như: công nghệ chế biến thực phẩm, trong kỹ thuật phân tích, trong công nghệ gen vào bảo vệ môi trường, đặc biệt là trong y học với ứng dụng sản xuất dược phẩm. 1.2.1.2. Cơ chế xúc tác enzyme: Cơ chế xúc tác enzyme thường trải qua ba giai đoạn theo sơ đồ sau: E + S → ES → P + E Trong đó: E là enzyme, S là cơ chất (Substrate), ES là phức hợp enzyme – cơ chất, P là sản phẩm (Product). Hình. Chức năng của enzyme. Sư tạo thành phức hợp enzyme – cơ chất và chuyển hóa phức hợp thành sản phẩm (Prescott, Harley và Klein, 2005). – Giai đoạn thứ nhất: enzyme kết hợp với cơ chất bằng liên kết yếu tạo thành phức hợp enzyme – cơ chất (ES) không bền, phản ứng này xảy ra rất nhanh và đòi hỏi năng lượng họa thóa thấp. – Giai đoạn thứ hai: xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các liên kết đồng hóa trị tham gia phản ứng. – Giai đoạn thứ ba: tạo thành sản phẩm, còn enzyme được giải phóng ra dưới dạng tự do. Các loại liên kết chủ yếu được tạo thành giữa E và S trong phức hợp ES là tương tác tỉnh điện, liên kết hydro, tương tác Van det Waals. Mỗi loại liên kết đòi hỏi những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi có nước. 1.2.1. Sơ lược enzyme glucose isomerase (GI) D-Glucose/xylose isomerase (D-xylose isomerase ketol; EC 5.3.1.5), thường được gọi là glucose isomerase (GI), một trong ba enzym có giá trị cao nhất, rồi đến amylase và protease. Theo Wiseman, GI có thể là quan trọng nhất trong tất cả các enzyme công nghiệp trong tương lai. Nó xúc tác đồng phân hóa thuận nghịch D-glucose và D-xylose thành D- fructose và D-xylulose. Sự chuyển đổi xylose thành xylulose phục vụ một nhu cầu dinh dưỡng của vi khuẩn hoại sinh phát triển mạnh trên cây mục nát và cũng hỗ trợ trong chuyển hóa sinh học của hemicellulose để sản xuất ethanol. Đồng phân hóa glucose thành fructose có tầm quan trọng thương mại trong việc sản xuất HFCS. Sucrose có nguồn gốc từ củ cải đường (40%) và mía (60%) là các chất làm ngọt chính trên thế giới cho đến năm 1976. Việc sản xuất HFCS bằng cách sử dụng isomerase glucose được phát triển đầu tiên ở Nhật Bản và sau đó tại Hoa Kỳ. Nguồn gốc của phát triển thành công ngày hôm nay của sản phẩm fructose syrup nằm trong sự phát hiện của enzyme glucose-isomerizing. Việc phát hiện của Marshall và Kooi năm 1957 về khả năng của enzyme glucose-isomerase từ Pseudomonas hydrophila là điểm khởi đầu của khai thác các enzyme này để sản xuất HFCS như một sự thay thế cho đường mía. Mặc dù ái lực của enzyme này cho glucose là thấp hơn 160 lần so với xylose, nhưng các enzym cũng có giá trị thương mại đáng kể. Takasaki và Tanabe đã phân lập từ Bacillus megaterium AI một glucose isomerase (EC 5.3.1.18). Một hoạt động tương tự như glucose isomerase, xúc tác các đồng phân hóa của cả hai glucose và mannose fructose, được phân lập từ Paracolobacterium aerogenoides. Glucose isomerase sản xuất bởi vi khuẩn axit Heterolactic yêu cầu xylose như một chất cảm ứng và tương đối ổn định ở nhiệt độ cao. Với nhiệt ổn định và không không yêu cầu cofactors đắt tiền như NAD1 hoặc ATP cho hoạt động. Tiềm năng cho việc sử dụng thay thế đường sản xuất từ tinh bột đã được đề xuất. Các chế phẩm enzyme dùng đồng phân hóa glucose lần đầu tiên được thực hiện trên một quy mô công nghiệp vào năm 1967. Nhu cầu đối với HFCS trong ngành công nghiệp thực phẩm gia tăng, và đến năm 1980, thực tế tất cả các công ty lớn chế biến tinh bột trong giới phương Tây đã phải dùng đến công nghệ GI. Ngày nay, enzyme chiếm lĩnh thị trường lớn nhất trong ngành công nghiệp thực phẩm. Hình. Cấu trúc không gian của GI Enzyme so với đồng phân hóa trong hóa học. Việc chuyển đổi hóa học của glucose thành fructose đã được biết đến từ 100 năm qua và tạo thành một trong 1 nhóm phản ứng Những phản ứng này thường được thực ở pH và nhiệt độ cao. Khả năng sản xuất fructose hóa học từ glucose đã được nghiên cứu bởi Barker et al Phản ứng này là không đặc hiệu và dẫn đến hình thành các đường nonmetabolizable như psicose và các sản phẩm màu không mong muốn khác. khó khăn để đạt được một fructose nồng độ hơn 40% theo phương pháp này. Hơn nữa, hóa học sản xuất fructose có hương vị và vị ngọt giảm, không thể dễ dàng khắc phục. Do đó, nó không thể được sử dụng thương mại. Mặt khác, enzyme chuyển đổi glucose thành fructose có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như đặc trưng của phản ứng, yêu cầu các điều kiện pH và nhiệt độ của môi trường xung quanh của, và không hình thành các sản phẩm phụ. Vì vậy, enzyme chuyển đổi đồng phân hóa hóa học của glucose thành fructose, và ngày nay đã có các quá trình liên quan đến GI đáng kể trong việc mở rộng thị trường công nghiệp. Glucose isomerase chủ yếu được thu nhận từ vi khuẩn. Ứng dụng của enzyme này trong sản xuất công nghiệp được bắt đầu từ khi áp dụng công nghệ sử dụng enzyme glucose isomerase cố định trên chất mang không tan. Glucose isomerase từ Lactobacillus sp. cần có mặt Co 2+ và Mg 2+ để hoạt hóa. Glucose isomerase từ Streptomeces có pH optimum 8,0 – 8,5, MW 165.000 – 180.000 Da, ổn định trong khoảng pH 5,0 – 11,0. Glucose isomerase từ Bacillus coagulans do hang Novo cung cấp có thể hoạt động ở 90 o C, nhưng bền hơn cả là ở 60 – 65 o C, pH optimum 8,0 – 8,5. Một số sản phẩm glucose isomerase thương mại trình bày trong bảng (Nguyễn Tiến Thắng, 2010) Tên thương mại Nhà sản xuất Nguồn gốc GODO - GI Godo Shusei [GO] S. griseofuscus Taka - Sweet Solvey Enzyme [SOE] S. olivaceus Spezyme GI Cultor Ltd. [CL] A. rubiginosus Optisweet Solvey Enzyme [SO] G-zyme G 993 CPC International/Div S. olivochromo Enzyme Biosystems [CPC] Roquette Freres S.A [RF] S. violacenoniger Swetase Nagase Co. Ltd [NG] S.phaeochromo Sweetzyme Novo Nordisk A/S [NO] Bacilluscoagu Glucoisomerase Biological Products [ICI] Arthrobacter sp. 1.2.2. Phản ứng đồng phân hóa Các thí nghiệm được thực hiện trong bình phản ứng sinh học. Chất xúc tác là Sweetzyme IT với kích thước hạt từ 0,4 – 1,0 mm, được cung cấp bởi Novozyme A/S (Bagsvaerd, Denmark). Sweetzyme IT là một cấu trúc xốp mang enzyme cố định glucose isomerase. Một trong những cơ chế động học được xúc tác bởi enzyme glucose isomerase là cơ chế thuận nghịch Briggs-Haldane với k là giá trị hằng số không đổi (A. Converti, M. Del Borghi, 1997) k 2 k- 2 k 1 k-1 G + E GE F + E Toàn bộ phản ứng đồng phân hoá glucose dựa trên cơ chế thuận nghịch Briggs-Haldane thì được mô tả như sau: Với hằng số K m và thể tích lớn nhất được tính theo phản tứng theo phản ứng thuận nghịch: Hệ số cân bằng được tính trong một phản ứng enzyme thuận hoặc nghịch: Tham số động học của tồn bộ phản ứng có thể tính được bằng phương pháp Lineweaver-Burk. Dung dịch glucose và fructose được chuẩn bị với nồng độ 0.5; 1.0; 2.0 và 3.0 mol/L. Thêm vào 20 g/L dung dịch thuốc thử heptahydrated maige sulphate (MgSO 4 .7H 2 O) để dung dịch hoạt động và bền. Đầu tiên, tất cả các dung dịch phải được loại khí, tối thiểu 2h để đảm bảo khí hồ tan sẽ khơng gây ảnh hưởng đến phản ứng.Sử dụng 0.05 mol/L dung dịch đệm Tris để giữ pH của dung dịch ở mức 7.7 – 7.8. Thêm vào 60 mL dung dịch thuốc thử và 1 g Sweet-zyme IT cho mỗi thử nghiệm. Bình phản ứng được khuấy ở 150 rpm và nhiệt độ 328 K. Khoảng 50 μ L sẽ được lấy ra từ bình phản ứng tương ứng ở các khoảng thời gian đặc trưng và được pha lỗng ở các khoảng nồng độ trong một bộ cảm biến RI. Dung dịch glucose và fructose sẽ được xác định bằng phương pháp cột sắc ký lỏng cao áp, sủ dụng bộ cảm biến RI. Tham số động học nhận được được trình bày ở bảng 2. Gía trị hệ số cân bằng K c , xác định khả năng tạo sản phẩm fructose dưới điều kiện thử nghiệm được sử dụng. Ở bảng 2, có thể một vài tham số động học của phản ứng đồng phân quang học glucose đã được đưa ra. Trong lò phản ứng, khối lượng cân chính xác được biểu diễn trong giới hạn cho phép của sự chuyển hố: (17) Với W là khối lượng xúc tác trong bình phản ứng và X là thuốc thử chuyển hoá. Tham số φ là: Từ việc áp dụng biểu đồ phương pháp Linewaever-Bruck, xác định nồng độ trong thử nghiệm ban đầu là một hàm số theo thời gian. Công thức (17) được dùng để xác định tham số của tất cả các điểm của đường cong thử nghiệm. Phương pháp hồi quy tuyến tính được đưa ra, chỉ rõ hàm số của công thức (17), toàn bộ phương trình hồi quy không những xác định giá trị của tham số mà còn cho biết giá trị tổng nhỏ nhất của phần còn lại để từ đó thiết lập dữ liệu cho các thử nghiệm. Ở phương pháp này, hệ số cân bằng có giá trị là 1.04. Biểu đồ 3 trình bày một vài kết quả thử nghiệm và dự đoán vài mẫu mô phỏng toàn bộ phản ứng – CT (13) – với tham số được liệt kê ở bảng 3. Theo hình minh hoạ, cả hai mẫu sản phẩm fructose và glucose được chỉ ra cho phản ứng đồng phân học, sử dụng dung dịch thuốc thử ban đầu có nồng độ 0.5 và 1.0 mol/ L. [...]... Rotadex GI không tan Gluctaraldehy Xilochrom amin hóa Sơ đồ quy trình tách chiết và cố định enzyme glucose isomerase III QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HFCS 3.1 So đồ chuyển hóa tinh bột thành siro fuctose Thuyết minh quy trình Thiết bị piot công suất 50-100kg sản phẩm/ ngày được gia công trong nước bao gồm các thiết bị phục vụ các công đoạn quy trình công nghệ như: - Công đoạn dịch hóa tinh bột: Tinh... như: thuốc kháng sinh, thuốc kháng nấm, thuốc chống ung thư, ức chế miễn dịch, thuốc diệt cỏ… Quá trình sinh tổng hợp của các hợp chất này khá khó khăn Quy định một cách cẩn thận với các quá trình của sự phân lập tế bào, bắt đầu trong việc chuyển đổi sang sợi nấm trên môi trường thạch hoặc trong giai đoạn cuối theo cấp số nhân (trong các môi truờng nuôi cấy lỏng) Vì có cấu trúc tế bào nấm trong tế bào... Borges da Silva, Antonio A Ulson de Souza (2006), Analysis of the highfructose syrup production using reactive SMB technology, Laboratory of Separation and Reaction Engineering, LSRE, Chemical Engineering Department, Faculty of Engineering, University of Porto, Dr Roberto Frias s/n, 4200-465 Porto, Portugal Prashant Srivastava, Saurabh Shukla1, Sanjay Kumar Choubey and Gomase V.S (2010) Isolation, Purification... enzyme và các thành phần ion 2.3 Cố định enzyme glucose isomerase trên xilochrom B Trước thập kỉ 70 fructose chưa được sản xuất công nghiệp Năm 1973 công ty Clintin Corn (USA) lần đầu tiên áp dụng quy trình chuyển hóa glucose thành fructose trong công nghiệp bằng enzyme glucose isomerase cố định (GI) và đã trở thành công nghiệp ứng dụng cố định enzyme lớn nhất từ trước tới nay Phần lớm các chế phẩm... với tỷ lện 1g xilochrom/10ml dung dịch Hỗn hợp này được trộn trong thiết bị cô hút chân không quay Rotadex 4 giờ ở nhiệt phòng và sau đó được rửa nhiều lần bằng Photphat bufer cho đén khi nước rửa không cong hấp thụ ở bước sóng 275nm trên máy quang phổ − + Kiểm tra hoạt tính isome hóa trên cột với GI không tan Để so sánh, đã sử dụng GI cố định của hãng NOVO Đan Mạch có tên thương mại là Sweetzym Q được... thì tỷ lệ chuyển hóa đạt tới 63,8% + Tuy nhiên, cũng trong những điều kiện tương tụ nhung thời gian cầm giữ dung dịch cột ít hơn( tốc độ chảy 60ml/h sâu 2 lần qua cột) tỷ lệ đường glucose chuyển thành frutose chỉ đạt 40%( nồng độ fructose trong dung dịch đường thu được là 18,4mg/ml) + Kết quả kiểm tra hoạt tính nêu trê cho thấy chế phẩm enzyme GI tự tạo chất mang với Xilochrom không thua kém Sweetzym... tương tự nêu trên đạt được hiệu suất chuyển hóa trên 40% với thời gian bán giảm hoạt tính cột dao động trong khoảng thời gian 30-45 ngày + Với kết quả thu được trên đây cho phép tổ chức xây dựng pilot quy mô nhỏ( cỡ 50-100kg sản phẩm/ ngày) để chạy thử làm cơ sở cho việc thu nhập thông số kinh tế kỹ thuật và tiến tới xây dựng luận chứng kinh tế kỹ thuật sản xuất Xiro Fructose từ tinh bột ngô Sinh khối... vitamin Casamino axit (Difco) 0,2% KNO3 0,2% K2HPO4 0,2% NaCl 0,05% MgSO4.7H20 0,02% CaCO3 0,001% FeSO4.7H20 1,8% agar pH của môi trường đã được điều chỉnh đến 7.0 Các khuẩn lạc bị phân lập được chuyển sang thạch nghiêng Chủng từ các thạch nghiêng sau đó được phát triển trong bình 250ml duy trì ở 30°C trên một máy lắc và trong môi trường có chứa 1% hemicellulose rơm, 1% peptone, 0.5% chiết nấm men và... bằng thép không rỉ đặt bên trong bể đun nước cách thủy làm bằng kim laoi5 thường, có mô tơ gắn và - điều chỉnh vòng quay thích hợp Giai đoạn đường hóa: các thùng chứa tinh bột đã địch hóa được chuyển sang thùng đường hóa sau khi làm nguội đến nhiệt độ 45-500C để đường hóa bằng glucoamylase phá vỡ những chuỗi đường để sản xuất đường đơn glucose trong điều kiện được khuấy đảo liên - tục Công đoạn xử... (7kg/cm2) - Áp lực khí nén cấp cho bơm: 20-100 PSI Máy phun Tài liệu tham khảo PGS.TS Nguyễn Tiến Thắng (2010), Giáo trình công nghệ Enzyme, viện Sinh học nhiệt đới PGS.TS Ngô Kế Sương (1994), Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất hỗn hợp đường glucose-fructose từ tinh bột khoai mì bằng phương pháp enzyme, Viện Sinh học nhiệt đới A Converti, M Del Borghi, Simultaneous effects of immobilization andsubstrate . LỤC I. TỔNG QUAN 1.1. High fructose corn syrup (HFCS) 1.1.1. High fructose corn syrup (HFCS) 1.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng high fructose corn syrup. điểm của đường cong thử nghiệm. Phương pháp hồi quy tuyến tính được đưa ra, chỉ rõ hàm số của công thức (17), toàn bộ phương trình hồi quy không những