công nghệ điều chế sorbitol

1.2 ỨNG DỤNG CỦA SORBITOL Sorbitol được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm, y tế và các ngành công nghiệp khác.. + Sorbitol ở dạng bột được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất

Công Nghệ Điều Chế Sorbitol

I/ Tổng Quan

Sorbitol, sản phẩm khử hóa D – glucoza hiện đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kĩ thuật và công nghệ Nó là thành phần quan trọng của chất hoạt động không ion cho công nghiệp xây dựng, công nghiệp chất tẩy rửa, làm phụ gia an toàn sinh học cho công nghiệp thực phẩm

Việt Nam có nguồn tinh bột sắn rất dồi dào, đạt sản lượng 8 triệu tấn/năm, xuất khẩu 1,5 triệu tấn Rõ ràng rằng tinh bột sắn sản xuất ra dư thừa so với nhu cầu tiêu thụ ở Việt Nam và điều này tạo cơ hội phát triển cho các ngành liên quan

Hiện nay, mỗi năm nước ta sử dụng đến vài chục nghìn tấn sorbitol cho nhiều ứng dụng khác nhau và phải nhập ngoại hoàn toàn Ngoài ra, trong chiến lược phát triển ngành công nghiệp Hoá Dược, Chính phủ có đề cập đến việc xây dựng nhà máy sản xuất vitamin C sử dụng nguyên liệu sorbitol Tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước để sản xuất sorbitol phục vụ nhu cầu trong nước, đồng thời làm nguyên liệu cho nhà máy sản xuất vitamin C thì không những thay thế được nguyên liệu nhập ngoại mà còn có thể có sản phẩm để xuất khẩu

Vậy sorbitol là gì?

Sorbitol là 1 loại đường thuộc họ hexitol, lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1868 trong quả của cây thanh lương trà núi với hàm lượng khoảng 5 ÷ 12% Tên gọi “sorbitol” được xuất phát từ tên khoa học của cây này là Sorbus aucuparia L Sorbitol cũng có trong nhiều loại quả khác như: mận 1,7 – 4,5 %, lê 1,2 – 2,8 %, đào 0,5 – 1,3 %, táo 0,2 – 1,0 % Trong quả và lá cây, sorbitol tồn tại ở dạng hợp chất trung gian sinh học cho quá trình tổng hợp tinh bột, xenluloza, sorbose và vitamin C Trong động vật, sorbitol được tìm thấy trong quá trình hấp thụ glucoza hoặc tổng hợp fructoza từ glucoza

Năm 1890, E.Fischer đã tiến hành phản ứng hóa học đầu tiên tổng hợp sorbitol từ glucoza nồng độ thấp với hỗn hống Na Sau đó, thế hệ xúc tác hoàn thiện đầu tiên được ra đời vào năm 1912 do V.IPATIEFF đưa ra

Đến những năm 1950, sorbitol đuợc sử dụng ngày càng nhiều và phổ biến rộng rãi trong thức ăn, đồ ngọt, chất ổn định và là nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp khác Đồng thời, sản xuất sorbitol cũng mang lại những nguồn lợi nhuận lớn cho các nước đi tiên phong làm chủ công nghệ này

1.1.1 Đặc tính lý hóa

- CTPT:CH2-(CHOH)4 -CH2OH

- Tên gọi: Sorbitol

Ngoài ra còn có các tên gọi khác:

D-glucohexitol, sorbite, sorbol, D-glucitol, hexa-ancol, E420

- Khối lượng phân tử:

M = 182,17 đvC

- Nhiệt độ nóng chảy 1100C

Tinh thể sorbitol không màu, hút ẩm, có vị ngọt mát, độ ngọt bằng khoảng 60% so với đường mía Sorbitol mang hàm lượng calo thấp, có tính giữ ẩm, kháng khuẩn và là một chất ổn định Trong cơ thể người khoẻ mạnh, 1g sorbitol sinh 3994 cal (trong khi 1g đường mía sinh 3940 cal) Tinh thể hydrat của

nó tan chảy một phần ở nhiệt độ dưới 100oC

Sorbitol dễ tan trong nước, ở 25°C, 100 g nước có thể hoà tan 256 g sorbitol Sorbitol tan tốt trong rượu nóng, metanol, isopropanol, butanol, xyclohexanol, phenol, axeton, axit axetic, DMF, pyridin, ít tan trong rượu lạnh, không tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ khác Dung dịch sorbitol thương mại có nồng

độ 70 % Ở nồng độ cao, dung dịch sorbitol có độ nhớt lớn hơn rất nhiều so với dung dịch glyxerin có nồng độ tương đương

1.2 ỨNG DỤNG CỦA SORBITOL

Sorbitol được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm, y tế và các ngành công nghiệp khác

9 Trong thực phẩm:

Sorbitol được sử dụng với vai trò là chất làm mềm, chất nhũ hóa, chất ổn định Tùy thuộc vào từng loại thực phẩm mà hàm lượng sorbitol từ 8 ÷ 45 % khối lượng đối với dạng bột và 5 ÷ 15 % đối với dạng lỏng Trong y tế:

+ Sorbitol được sử dụng như một chất làm ngọt có hàm lượng calo thấp, là chất thay thế cho các loại đường khác trong chế biến thực phẩm dành cho người bị bệnh tiểu đường và thường được sử dụng trong các chế độ ăn kiêng

+ Được sử dụng để ngăn ngừa sự mất nước và nhiều vấn đề khác trong đó có các bệnh về tiêu hoá và bệnh mất trương lực của túi mật

+ Được dùng làm thuốc thúc đẩy sự hydrat hoá các chất chứa trong ruột Sorbitol kích thích tiết

cholecystokini- pancreazymin và tăng nhu động ruột nhờ tác dụng nhuận tràng thẩm thấu Sorbitol chuyển hóa chủ yếu ở gan thành fructoza, một phản ứng được xúc tác bởi sorbitol dehydrogenase Một

số sorbitol có thể chuyển đổi thẳng thành glucoza nhờ aldose reductase

+ Sorbitol ở dạng bột được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vitamin C, sản xuất chất nền cho các chất tẩy rửa hoặc dùng làm tá dược trực tiếp trong sản xuất thuốc viên,…

Trong hóa mỹ phẩm:

Do có tác dụng giữ ẩm, sorbitol được dùng làm chất làm mềm da (hàm lượng 10 ÷ 20 %) hay chất ổn định (3 ÷ 5 %) trong các loại kem bôi da, thuốc mỡ, gel và đặc biệt là kem đánh răng (35 ÷ 40 %) Sorbitol bột được dùng để sản xuất chất nền cho các chất tẩy rửa

Một số ứng dụng khác:

Trong ngành sản xuất thuốc lá, sorbitol có tác dụng ngăn ngừa sự vỡ vụn của sợi thuốc lá và là chất dịu vị trong thuốc lá nhai Sorbitol còn có ứng dụng trong ngành tổng hợp polyme (như chất ổn định và chống oxy hoá), ngành chế biến polyme (chất dẻo hoá dùng trong kỹ thuật đúc phun), ngành điện hoá và

ngành dệt

Bảng 1 : Các tính chất và ứng dụng của sorbitol Lĩnh vực Tính Chất Ứng Dụng

Thực Phẩm

- Tăng thời gian bảo quản

- Làm dịu vị

- Giữ ẩm

- Làm ngọt

- Tạo nhũ

- Không ảnh hưởng đến hàm lượng đường trong máu

- Không làm hỏng răng (không lên men)

Chế biến thực phẩm

- Kẹo cao su

- Sôcôla

- Bánh mỳ

- Đồ uống

- Kem

Mỹ Phẩm

- Giữ ẩm

- Không làm hỏng rang

- Hoá dẻo

- Tạo nhũ

- Làm cho da mịn màng

- Sữa rửa mặt

- Kem đánh rang

- Bọt cạo râu

Dược

- Các tính chất sinh lý học

- Thay thế đường cho người bị bệnh tiểu đường

- Chất nền

- Giữ ẩm

Có trong:

- Viên nén

- Viên nhộng

- Dịch nhũ tương

- Siro chống ho

- Sản xuất vitamin C Các Ngành công

nghiệp khác

- Hoá dẻo

- Làm dịu vị

- Bền nhiệt Bền với axít và bazơ

- Nhớt

- Giữ ẩm

- Tạo nhũ

- Tác nhân tạo phức càng cua với kim loại nặng

- Chất tẩy rửa

- Công nghiệp giấy, vải, da

- Gelatin

- Keo dán

- Loại sự oxy hoá của dầu bởi các kim loại nặng

- Thuốc nổ

- Sơn và verni

- Polyuretan

- Ete nhựa thông

1.3 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ TIÊU THỤ SORBITOL

1.3.1 Trên thế giới

Năm 1992, tổng sản lượng sorbitol trên toàn thế giới ước tính khoảng 650 000 tấn dung dịch 70 %, 357

000 tấn dung dịch 50 % và 91 000 tấn bột Trung bình mỗi năm, nhu cầu sử dụng sorbitol tăng lên 3 %

Giá của sorbitol thương phẩm dạng 70 % là 0,95 –1,40 USD/kg và dạng bột là 1,90 – 2,50 USD/kg Giá trị

thương mại do sorbitol mang lại năm 1993 trên toàn thế giới là 900 triệu USD

Trên thế giới, công suất sản xuất hiện tại với sorbitol đã vượt quá 2 triệu tấn/năm, chủ yếu là do các nhà

sản xuất dưới đây

Nhà Sản Xuất Địa Điểm Công Suất Roquette

-

-

- Sorini

-

- ADM Cargill SPI

-

- Shouguang Nikken Purechem

Pháp Trung Quốc

Hàn Quốc Indonesia Trung Quốc

Mỹ Đức

Mỹ Brazil Sơn Đông – Trung Quốc Nhật Bản

Thái Lan

300 000

160 000

20 000

156 000

120 000

163 000

100 000

177 000

50 000

150 000

90 000

40 000 Sorbitol được dùng trong thực phẩm, mỹ phẩm và công nghiệp sản xuất vitamin C chiếm 70 % tổng sản lượng tiêu thụ sorbitol trên toàn thế giới (2007) Dự đoán, mức tiêu thụ trong các ngành này còn tiếp tục tăng cao trong một vài năm tới

Bảng 2 : Thị Trường Tiêu Thụ Sorbitol Toàn Cầu

1.3.2 Trong nước

Ở Việt Nam, sorbitol được sử dụng chủ yếu trong ngành sản xuất kem đánh răng Ví dụ, công ty Unilever hàng năm có nhu cầu nhập khẩu khoảng 10000 tấn sorbitol loại siro 70 %, công ty P&G nhập khẩu 4 000 tấn sorbitol Như vậy, riêng nhu cầu sản xuất kem đánh răng nước ta tiêu thụ mỗi năm 14000 tấn sorbitol Nếu tính cả lượng sorbitol tiêu thụ cho các ứng dụng khác như trong ngành dược phẩm, thực phẩm, thuốc lá thì nhu cầu sorbitol của nước ta vào khoảng 20 - 30 nghìn tấn/năm Đặc biệt trong chương trình Quốc gia về phát triển công nghiệp hóa dược, Chính phủ đã có chủ trương xây dựng nhà máy sản xuất vitamin C công suất 1 000 tấn/năm, sử dụng nguồn nguyên liệu sorbitol sản xuất trong nước Đứng trước nhu cầu này, Tập đoàn công nghiệp hóa chất Việt Nam đã có chủ trương triển khai

dự án xây dựng nhà máy sản xuất sorbiotol từ tinh bột sắn với công suất 20 000 tấn sorbitol/năm phục

vụ nhu cầu trong nước

II/ Sản xuất Sorbitol bằng con đường tổng hợp Hóa Học

2.1 Quy Trình sản xuất Sorbitol

Nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sorbitol là Glucoza

2.1.1 Công nghệ sản xuất Glucoza ( Nguyên Liệu sản xuất sorbitol )

Nguyên liệu được dùng trong sản xuất sorbitol là D-glucoza D-glucoza là chất quan trọng nhất trong các monosaccarit vì nó là đơn vị cấu trúc các gluxit khác như tinh bột, xenluloza, glycogen và có vai trò rất quan trọng trong các quá trình sinh hoá, là một nguồn năng lượng chính cho cơ thể sinh vật sống [4] Thông thường máu người chứa 0,08 – 0,1% glucoza

Đặc tính lý hoá

- Tên gọi:

D-glucoza, dextrose, đường máu

- CTPT: C 6 H 12 O 6

- CTCT: hình 1.7 Hình 1.3: Cấu trúc phân tử D-glucoza

- Khối lượng phân tử M = 180,16

Do sự có mặt của các nhóm hydroxyl trong phân tử nên glucoza dễ hòa tan trong nước và không tan trong các dung môi hữu cơ Khi cô đặc dung dịch glucoza sẽ thu được các tinh thể Tuy nhiên quá trình kết tinh glucoza có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng solvat hóa do tương tác với dung môi và hiện tượng chuyển hóa hỗ biến giữa các dạng cấu tạo của glucoza + Loại dẫn xuất α – monohydrat: Ở trong nước

có dạng tinh thể, điểm nóng chảy là 83 o C

Độ tan: Đối với nước là 1 g/ml, đối với cồn là 0,0167 g/ml

Độ quay quang học: [α]D + 102,0o → + 47,9o

+ Loại dẫn xuất α – anhydrat: Dạng tinh thể khi ở trong cồn nóng và

nước, điểm nóng chảy là 146o-c loại dẫn xuất này tạo ra bởi sự cân bằng của ion hydroxyl (khi hoà tan vào nước thì từ độ quay cực riêng ban đầu +112,20 dần giảm còn + 52,7o

Độ quay quang học: [α]D + 112,2o → + 52,7o

Những tinh thể D – (+) glucoza có nhiệt độ nóng chảy 150oC, khi hoà tan vào nước thì độ quay cực riêng dần dần tăng từ 19o tới 52,7o

Sự thay đổi độ

quay cực của mỗi dạng này ở trong nước có thể đạt tới giá trị cân bằng gọi là sự chuyển hoá năng suất quay cực Những công trình nghiên cứu trước đây đã đi tới kết luận D – (+) glucoza là một hemi axetat nội phân tạo thành do sự tác dụng của nhóm – OH ở C5 với nhóm andehit Cấu trúc dạng vòng của

trường hợp này được mô tả theo công thức sau: [5]

Trong hỗn hợp cân bằng có tới 99% bán axetat nội phân, có 2 đồng phân

mạch vòng D - (+) glucoza phân biệt nhau ở các cấu hình C1 và 2 dạng đó được

gọi là các dạng onome Dạng α và dạng β ngoài khác nhau về độ quay cực,

chúng còn khác nhau cả về tính chất hoá học, ví dụ khi cho tác dụng với axit

boric thì chỉ dạng α phản ứng

Khi hoà tan dạng α và β tinh khiết vào nước thì 2 dạng này dễ chuyển

hoá sang nhau tạo một cân bằng và cùng với sự thay đổi độ quay cực như ta đã

biết ở trên

2.2 Tình hình sản xuất glucoza

Glucoza được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như sản xuất từ tinh bột ngô, tinh bột sắn, bột mì, lúa gạo Ở nước ta, nguồn nguyên liệu tinh bột sắn dồi dào nên việc cung cấp glucoza cho quá trình sản xuất sorbitol khá thuận lợi Sau đây là sản lượng glucoza của một số công ty sản

xuất trong nước :

Công ty Minh Đường - Hoài Đức - Hà Tây: 30 - 40 tấn/ngày;

Cơ sở tại Việt Trì của công ty Bánh kẹo Hải Hà: 10 tấn/ngày;

Nhà máy Đường Quảng Ngãi: 16 tấn/ngày;

Công ty Đường sông Lam - Thanh Hóa: 10 tấn/ngày;

Công ty Kỹ nghệ thực phẩm 19/5 Sơn Tây: 100 tấn/năm

2.3 NGUYÊN LIỆU TINH BỘT SẮN ĐỂ SẢN XUẤT GLUCOZA

Tinh bột là một polysaccarit chủ yếu có trong các hạt ngũ cốc và cây có củ Lượng tinh bột ở ngô, lúa mỳ vào khoảng 60 - 75 %, lúa gạo có thể đạt đến 75 - 80 %, củ sắn 12 - 33 %, củ khoai tây 24 - 26 % (bột sắn

có 70 - 81 % tinh bột, bột khoai tây 70 - 75 %) Ngoài ra tinh bột còn có nhiều trong các loại rau quả và là nguồn dinh dưỡng chính cung cấp calo cho người và gia súc Ở Việt Nam, nguồn tinh bột sắn rất dồi dào

và rẻ tiền, với tổng sản lượng lên tới 8,5 14triệu tấn/năm nên nó được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, công nghiệp giấy và công nghiệp dệt Nó cũng được lựa chọn làm nguồn nguyên liệu chính để sản xuất glucoza Vì thế, trong phần tiếp theo chúng tôi tập trung tìm hiểu các thông tin liên quan đến tinh bột sắn

Tinh bột sắn có màu sáng trắng, có độ pH từ 4,5 đến 6,5 Hạt tinh bột sắn có kích thước 5 - 40 µm, chủ yếu là hình tròn, có bề mặt nhẵn Hàm lượng amilopectin trong tinh bột sắn tương đối cao, chiếm 78 - 80% Tinh bột sắn có độ nở, khả năng hồ hoá và độ hoà tan cao Khoảng nhiệt độ hồ hoá của tinh bột sắn là 58 - 70 0C, độ nhớt dung dịch bột tăng nhanh và có độ dính cao so với tinh bột từ các nguồn khác Ngoài ra, hồ tinh bột sắn có xu hướng thoái hoá thấp và độ bền gel cao Độ nhớt là tính chất quan trọng giúp tinh bột có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, khả năng hồ hóa sớm, độ nhớt cao của tinh bột ]sắn thể hiện lực liên kết yếu giữa các phân tử tinh bột trong cấu trúc hạt Xử lý hóa học và vật lý (gia nhiệt, tăng áp suất hơi), pH của môi trường và sựcó mặt của các chất như protein, chất béo, chất có hoạt tính bề mặt đều có ảnh hưởng tới độ nhớt của tinh bột sắn

Hai cấu tử của tinh bột là amyloza và amylopectin có tính chất hoá học và lý học khác nhau Amyloza khi tác dụng với phân tử iot có màu xanh, amylopectin cho màu nâu khi tác dụng với phân tử iot Amyloza

dễ tan trong nước ấm và tạo nên một dung dịch có độ nhớt không cao Dung dịch của amyloza không bền khi nhiệt độ hạ thấp các dung dịch đậm đặc của amyloza nhanh chóng tạo gel tinh thể và các kết tủa không thuận nghịch Khả năng thoái hoá này phụ thuộc vào pH, sự có mặt của các ion kim loại, nồng độ amyloza và khối lượng phân tử của amyloza Amylopectin có độ kết tinh thấp hơn rất nhiều

Amylopectin là phân tử hấp thụ nhiều nước khi nấu chín tinh bột và là thành phần chủ yếu tạo nên sự trương phồng của hạt tinh bột Khi tinh bột được xử lý đồng thời bằng nước và nhiệt thì sẽ tạo ra hiện tượng hồ hoá Nhiệt độ hồ hoá của các loại tinh bột nằm trong khoảng 55 – 70 0C, các hạt tinh bột sẽ trương phồng lên, hấp thụ nước vào các nhóm hydroxyt phân cực, khi đó độ nhớt của dịch tinh bột tăng lên rất cao, các hạt tinh bột trương nở và kết dính vào với nhau tạo thành hỗn hợp nhão (paste) Nếu dịch tinh bột đặc thì khi làm nguội paste tinh bột sẽ tạo thành gel cứng Về mặt cảm quan, tinh bột là các hạt rất mịn, màu trắng Để bảo quản tốt, người ta giữ độ ẩm của tinh bột trong khoảng 12 - 14% nhằm ngăn ngừa sựphát triển của vi sinh vật

2.4 ENZYM SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT GLUCOZA

Enzym sử dụng trong sản xuất glucoza là hệ enzym thuỷ phân tinh bột

amylaza: α-amylaza dịch hoá và glucoamylaza đường hoá

2.4.1 α -amylaza dịch hoá