CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HFCS

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ỨNG DỤNG CNSH TRONG CNTP ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HFCS GVHD: NGUYỄN THỊ THU SANG NHÓM:14 ĐOÀN THỊ ÁNH HỒNG: 2006120001 PHẠM THỊ THỦY TIÊN:  NGUYỄ THỊ HOÀNG OANG:  ĐỖ VĂN RIN: Công nghệ sản xuất HFCS TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2015 Mục lục Nhóm 14 2 Công nghệ sản xuất HFCS LỜI MỞ ĐẦU Người ta cho thêm đường vào hầu hết các loại thực phẩm để làm tăng hương vị của chúng. Nhưng người tiêu dùng đang ngày càng tẩy chay đường do tác hại của nó đối với những căn bệnh như béo phì, tiểu đường,… nên những nhà sản xuất thực phẩm đã tìm cách khác để đưa đường vào thực phẩm. Một trong những cách đó là họ tạo ra một loại phụ gia tên là Siro bắp với hàm lượng fructose cao – high fructose corn syrup (HFCS) – và giới thiệu rằng loại phụ gia này hoàn toàn tự nhiên và cũng có tác dụng làm ngọt như đường. Công dụng, tác hại như thế nào và sản xuất HFCS ra sao,bài tiểu luận “ Công nghệ sản xuất HFCS” sẽ làm rõ phần nào đó. Nhóm 14 3 Công nghệ sản xuất HFCS 1. 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. 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). Nhóm 14 4 Công nghệ sản xuất HFCS 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. Nhóm 14 5 Công nghệ sản xuất HFCS 1.2. Glusose isomerase 1.2.1. Định nghĩa enzyme a. 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. b. 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). Nhóm 14 6 Công nghệ sản xuất HFCS 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 Nhóm 14 7 Công nghệ sản xuất HFCS 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. Nhóm 14 8 Công nghệ sản xuất HFCS 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. Nhóm 14 9 Công nghệ sản xuất HFCS 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 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) Nhóm 14 10 [...]... 19 Công nghệ sản xuất HFCS Một trong những đơn vị hoạt tính của GI được định nghĩa là lượng enzyme sản xuất ra 1µmol D-fructose trên mỗi phút theo điều kiện đã có sẵn 2 CỐ ĐỊNH ENZYME GLUCOSE ISOMERASE Enzyme cố định thường là những enzyme hòa tan được gắn vào một chất mang 2.1 Đặc điểm của enzyme cố định Tại cuộc hội thảo về công nghệ enzyme vào năm 1971 ở New Hampshire (Mỹ), lần đầu tiên công nghệ. .. năng sản xuất bào tử Streptomyces được nghiên cứu rộng rãi nhất và được biết đến nhiều nhất là chi của họ xạ khuẩn (atinomyces) Streptomyces thường sống ở đất và có vai trò là vi sinh vật phân hủy rất quan trọng Chúng cũng sản xuất hơn một nửa số thuốc kháng sinh của thế giới và đó là sản phẩm có giá trị lớn trong lĩnh vực y tế a Cấu trúc tế bào và trao đổi chất Nhóm 14 15 Công nghệ sản xuất HFCS Streptomyces... xử lý trong Rotadex Ly tâm Tủa aceton Hòa tan trong đệm phosphat GI trong Rotadex Gắn GI không tan Sơ đồ quy trình tách chiết và cố định enzyme glucose isomerase Nhóm 14 28 Công nghệ sản xuất HFCS 3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HFCS 3.1 Sơ đồ chuyển hóa tinh bột thành siro fuctose Dầu glutin & các thành phần khác Bắp, SO2 α-amylaseDịch hóa lần 1α-amylaseDịch hóa lần 2 DE 15-20 Tách(ép) 105-1500C DE... olygosaccharide làm giàu fructose Trao đổi ion than hoạt tính Bốc hơi Sản phẩm Fructose 55% 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 bột bắp được xử lý bằng α-amylase để sản xuất chuỗi đường ngắn hơn gọi là oligosaccharides 8 thùng dung tích mỗi... nền tốt cho việc sản xuất glucose isomerase nếu một sinh vật có khả năng sản xuất các enzyme và phát triển trên rơm Phân lập Streptomyces flavogriseus: Mẫu đất đã được hòa vào trong nước vô trùng và cấy trên một môi trường có chứa: -1% hemicellulose rơm -0,03% vitamin Casamino axit (Difco) -0,2% KNO3 -0,2% K2HPO4 -0,2% NaCl -0,05% MgSO4.7H20 -0,02% CaCO3 Nhóm 14 17 Công nghệ sản xuất HFCS -0,001% FeSO4.7H20... quả thu được trên đây cho phép tổ chức xây dựng pilot quy mô nhỏ( cỡ 50100kg 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 Nhóm 14 27 Công nghệ sản xuất HFCS Sinh khối Streptomyces flavogrieus Chiết xuất bằng Toluen Ly tâm Dịch ly tâm Xilochrom amin hóa Gluctaraldehy Kết tủa bằng... phá vỡ những chuỗi đường để sản xuất đường đơn glucose trong điều kiện được khuấy đảo liên tục Nhóm 14 29 Công nghệ sản xuất HFCS -Công đoạn xử lý dịch tinh bột đã cường hóa: dịch tinh bột đã đường hóa được nâng nhiệt độ lên 70-800C và lọc bằng thiết bị lọc khung bản Dịch lọc được cô lại và được xử lý than và trao đổi ion trước khi cho chạy qua các cột phản ứng isome hóa Công đoạn này cũng được lặp... (wxhxd): 50 x 38 x 59 cm - Trọng lượng: 69 Kg - Công suất tiêu thụ : 230 W Nhóm 14 31 Công nghệ sản xuất HFCS 3 2.4 Máy bơm hút đẩy khí Thông số kĩ thuật - Đường khí nén vào: 3/4” female NPT - Đường khí xả ra: 1” Female NPT - Áp lực đẩy lớn nhất: 0.7 Mpa (7kg/cm2) - Áp lực khí nén cấp cho bơm: 20-100 PSI Máy phun 4 ỨNG DỤNG HFCS HFCS được cho thêm vào sản phẩm để tạo vị ngọt nhưng không có kèm theo... fructose corn syrup (HFCS) Các sản phẩm sau đây thường có chứa HFCS: Nước ngọt như Coca, Pepsi, Seven Up, soda, iced tea,chocolate,yogurt, bánh mì sandwich, ketchup, tomato soup, cereal ăn sáng, thỏi cớm ngọt (energy bars, barres tendres, chewy granola bars), trong các loại bánh kẹo, và trong mật ong (honey) được pha HFCS một cách bất hợp pháp v,v… Nhóm 14 32 Công nghệ sản xuất HFCS Tóm lại món nào... triglycerides và được thải vào máu Đây là yếu tố nguy cơ gây ra bệnh tim mạch Từ hơn 20 năm nay HFCS đã được kỹ nghệ thực phẩm sử dụng hết sức rộng rãi trong thức ăn thức uống sản xuất theo lối công nghiệp.Vào cơ thể HFCS sẽ tạo ra các chất reactive carbonyls và làm tổn hại tế bào bêta của tụy tạng (nơi sản xuất insuline) và dẫn tới bệnh tiểu đường type 2.Các thí nghiệm sơ khởi ở người cho thấy, fructose . dụng làm ngọt như đường. Công dụng, tác hại như thế nào và sản xuất HFCS ra sao,bài tiểu luận “ Công nghệ sản xuất HFCS sẽ làm rõ phần nào đó. Nhóm 14 3 Công nghệ sản xuất HFCS 1. TỒNG QUAN 1.1 THỊ HOÀNG OANG:  ĐỖ VĂN RIN: Công nghệ sản xuất HFCS TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2015 Mục lục Nhóm 14 2 Công nghệ sản xuất HFCS LỜI MỞ ĐẦU Người ta cho thêm đường vào hầu. 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. Nhóm 14 9 Công nghệ sản xuất HFCS Glucose isomerase