ỨNG DỤNG CỦA AMYLASE TRONG SẢN XUẤT ĐƯỜNG TỪ TINH BỘT KHOAI MÌ

Sau đó, một xylose isomerase hoạt động, mà sự hoạt động đó độc lập với xylose, đã được tìm thấy trong Escherichia Intermedia.Các enzyme là một phosphor glucose isomerase EC 5.3.1.9, mà

Hiện nay, cây sắn đang trong quá trình chuyển đổi nhanh chóng từ cây lương thực truyền thống sang thành loại cây công nghiệp Một trong những sản phẩm quan trong từ sắn là tinh bột sắn.Tinh bột sắn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong đó có ngành công nghệ thực phẩm

Bên cạnh đó, ngay sau khi phát hiện ra sự tồn tại khách quan của vi sinh vật xung quanh ta ( thế kỷ 17), thì ngành công nghiệp lên men phát triển với tốc độ rất mạnh mẽ Đồng thời các nhà khoa học cũng lần lượt sáng tỏ bản chất của quá trình này và kiền thức về emzyme bắt đầu phát triển mạnh

Cho đến ngày nay, việc khai thác và sử dụng emzyme đã phát triển thành một ngành công nghiệp với những kỹ thuật hoàn chỉnh và đem lại nguồn lợi không nhỏ, tạo ra nhiều sản phẩm phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp và góp phần vào

sự phát triển kinh tế của đất nước

Với những lý do trên chúng tôi tiến hành tìm hiểu đề tài “ ỨNG DỤNG CỦA AMYLASE TRONG SẢN XUẤT ĐƯỜNG TỪ TINH BỘT KHOAI MÌ”

PHẦN A: TỔNG QUAN

I TỔNG QUAN VỀ AMYLASE

1 Đặc điểm và phân loại

Các ứng dụng trong công nghiệp của emzyme tăng mạnh trong một vài năm gần đây Thị trường emzyme toàn cầu đạt khoảng 1,4 tỷ USD năm 1996, 1,6 tỷ USD năm

1997 và tăng từ 6,5- 10% hằng năm

Năm 1996, tổng giá trị các emzyme sử dụng trong công nghiệp biến tính tinh bột là 156 triệu USD, trong đó α-amylase bền nhiệt, glucose-isomerase(GI) và Glucoamylase (GA) là những emzyme được sử dụng nhiều nhất

Hình 1.1: Emxyme thủy phân tinh bột tiêu thụ

trong những năm 1996: 156 triệu đô la mỹ

Amylase là một trong những hệ emzyme quan trọng nhất trong ngành công nghệ sinh học hiện nay do nó có ứng dụng hết sức rộng rãi trong công nghệ thực phẩm, dược phẩm, công nghiệp lên men, công nghiệp dệt và công nghiệp giấy Amylase đầu tiên được sản xuất ở quy mô công nghiệp năm 1894, nó có nguồn gốc từ nấm mốc và được sử dụng như một loại dược phẩm để chữa bệnh về tiêu hóa

4

Ngày nay, các amylase được sản xuất từ vi sinh vật đã thay thế thành công acid trong công nghiệp thủy phân tinh bột Amylase cũng được sử dụng rộng rãi để đường hóa tinh bột trong sản xuất rượu bia và sản xuất các sản phẩm đường từ tinh bột

Theo phân loại gần đây nhất của Nigam ( 1995), hệ Amylase tham gia vào quá trình thủy phân tinh bột gồm các emzyme chính sau đây:

Exomalto-Endo-α-1,6 glucanase

Exo-α-1,6 glucanase

Pullulanase Isoamylase

Exopullulanase

Hình 1.2: Các Amylase tham gia vào quá trình thủy phân tinh bột

Hình 1.3: Tổng hợp quá trính thủy phân tinh bột cùa Amylase Bảng 1.1: Các loại Amylase, cơ chế phân cắt và sản phẩm tạo thành

Danh pháp Mã số

quốc tế Liên kết bị emzyme cắt Sản phẩm

thủy phân

α-Amylase 3.2.1.1 Liên kết α-1,4 glucoseide ở bên

trong tinh bột, glucose, polysaccharide; liên kết bị phân cắt không theo trật trự nào

Dextrin và hỗn hợp đường khử (chủ yếu

là maltose)

β-Amylase 3.2.1.2 α-1,4-glucoside của mạch tinh bột

các gốc maltose bị tách trình tự từ đầu không khử của mạch

β-maltose và dextrin phân tử lớn

Glucoamylase 3.21.3 α-1,4 và α-1,6-glucoside của mạch

tinh bột Các gốc glucose bị tách từ đầu không khử của mạch

Glucosidase

3.2.1.10 α-1,6-glucoside của mạch tinh bột Glucose, maltose,

maltotriose,

6

maltotetrase Dextrin-1,6-

glucosidase

3.2.1.11 α-1,6 –glucose trong dextrin có

mạch nhánh phụ gắn với liên kết 1,6

α-Glucose, maltose, maltotriose, mantotetrase…

2 Tính chất, đặc điểm, điều kiện hoạt động của một số Amylase quan trọng

2.1 Emzyme α-amylase

2.1.1 Tính chất

 α-amylase là một emzyme nội phân (endoamylase) vì nó cắt các liên kết α-1,4 glucoside nằm phía bên trong phân tử cơ chất một cách ngẫu nhiên

 α-amylase dễ tan trong nước, trong các dung môi muối có nồng độ loãng

 Protein của các α-amylase có tính acid yếu

 Điểm đẳng điện nằm trong vùng pH từ 4,2-5,7

 α-amylase từ các nguồn khác nhau có thành phần các acid amin khác nhau Mỗi loại α-amylase có một tổ hợp acid amin đặc hiệu riêng song chúng đều khá giàu tyrozion và tryptophanan

Hình 2.1 : cấu trúc của α-Amylase

α-amylase hầu như không tác dụng lên tinh bột nguyên vẹn và tác dụng mạnh lên tinh bột đã bị hồ hóa làm cho các sản phẩm hồ hóa bị loãng ra Chính vì vậy mà α-amylase còn là một amylase dịch hóa

α-amylase tương đối bền dưới tác dụng của nhiệt Tính bền của α-amylase là do

sự có mặt của ion Ca2+ trong phân tử emzyme, Canxi giữ vai trò ổn định cấu trúc bậc 3 của emzyme

2.1.3 Các giai đoạn của quá trình thủy phân tinh bột của α-amylase:

 Giai đoạn dextrin hóa:

α-Amylase Tinh bột Dextrin phân tử lượng thấp

 Giai đoạn đường hóa:

Dextrin Tetra và trimaltose Di, monosaccharide Amylose Oligosaccharide Poliglucose

Maltose Maltotriose Maltotetrose

2.1.4 Điều kiện hoạt động

Bảng 2.1:Các điều kiện hoạt động của enzyme α-amylase

 β-amylase là một albumin, tâm xúc tác có chứa nhóm -SH, nhóm X-COOH

và vòng imidazol của các gốc histidine và là Enzyme ngoại bào (exoenzyme )

 β-Amylase không bền khi có Ca2+, β-amylase bị kiềm hãm bởi Cu2+, Hg2+, urea, iodineoacetamide, iodine, ozon…

 Amylase chịu nhiệt kém hơn α-amylase nhưng bền hơn với acid

β-amylase bị bất hoạt ở nhiệt độ 70oC Nhiệt độ tối thích của β-amylase là 55oC, pH 5,1- 5,5 Tham gia vào cơ chế tác dụng của β-Amylase thường có một nhóm

caboxyl thể hiệntính chất ái nhân và một nhóm imidazol thể hiện tính chất ái electron Sự nghịch đảo hình thểcủa cacbon anome (C1) được thực hiện nhờ việc tạo thành hợp chất đồng hoá trị trung gian kiểu este axetal giữa cacbon anome và nhóm cacboxyl của tâm hoạt động Sau đó este này bị phân huỷ bởi tác động của 1 phân tử nước lên nhóm cacboxyl để giải phóng ra α-maltose và hoàn nguyên nhóm cacbxyl của Enzyme

Hình 2.2: Cấu trúc của β_Amylase

2.2.3 Cơ chế tác dụng

 Cơ chế tác dụng của β-Amylase lên tinh bột

Tinh bột maltose (54-58%) + β-dextrin(42-46%)

 Các giai đoạn thủy phân tinh bột của β-Amylase:

Đối với Amylose, β-Amylase thủy phân các liên kết Glucoside bắt đầu từ đầu không khử của mạch, tách dần từng phân tử maltose ra khỏi phân tử cơ chất với hiệu suất thủy phân là 100%

Amylose 100% Maltose

Đối với Amylopectin, β-amylase phân cắt các liên kết α-1,4 glucoside nhưng khi gặp liên kết α-1,4 glucside đứng kế cận liên kết α-1,6 glucoside thì nó sẽ dừng tác dụng Sản phẩm tạo thành là:

Amylopectin (54-58%) Maltose + (42-46%) dextrin phân tử lớn

2.2.4 Điều kiện hoạt động

Bảng 2.2: Các điều kiện hoạt động của enzyme β-amylase

Nguồn gốc Enzyme

pH opt T opt Phân tử lƣợng

Là một emzyme ngoại phân (exoemzyme), nó thủy phân liên kết

α-1,4-glucoside và α-1,6-α-1,4-glucoside trong polysaccharide từ đầu không khử của mạch tạo ra glucose

β-Amylase

β-amylase

β-amylase

10

Đa số glucoamylase được biết đều thuộc loại protein acid Nó thể hiện hoạt tính acid tối đa ở pH 3,5 – 5,5 So với α-amylase, glucoamylase bền với acid hơn, nhưng lại kém bền dưới tác dụng của rượu ethylic, aceton

Glucoamylase có khả năng thủy phân hoàn toàn tinh bột và glucogen thành glucose

2.3.2 Cơ chế tác dụng

Amyloglucosidase có thể giải phóng ra β-D-glucose bằng cách thủy phân nhiều lần liên kết α-1,4 của mạch α-glucan từ đầu không khử, chúng cũng thủy phân được các liên kết α-1,6 và α-1,3 nhưng rất chậm (10-30 lần) Tốc độ thủy phân cũng phụ thuộc vào bản chất của các liên kết kề cận các liên kết glucozit được thủy phân, cũng như kích thước và cấu trúc của cơ chất bị thủy phân.Nhất là với các α-glucan mạch dài (amylase và

amylopectin) thì bị thủy phân nhanh hơn là với các maltodextrin và các oligosaccharit

2.3.3 Điều kiện hoạt động

 pH:

o Đa số các glucoamylase của vi sinh vật và của mô động vật đều có pH

hoạt động ở vùng acid, chẳng hạn như: glucoamylase của A.niger có pH

tối ưu là 3,5

o pH hoạt động tối ưu của glucoamylase còn thay đổi theo nhiệt độ và thời

gian tác dụng R delamar có hoạt lực cao nhất ở pH 4,7-5,0 và nhiệt độ

55-600C Nhưng khi giảm nhiệt độ xuống 400C thì pH tối ưu là 4,5

là glucose isomerases Các khám phá của Marsall và Kooi năm 1957 về khả năng của

glucose – isomerizing từ Pseudomonas hydrophila là điểm khởi đầu của việc khai thác

enzyme này để sản xuất HFCS như một sự thay thế cho đường mía Sự sản xuất enzyme

xylose là cần thiết trong môi trường phát triển và được tăng cường trong sự phát triển với

sự có mặt của arsenate

Sau đó, một xylose isomerase hoạt động, mà sự hoạt động đó độc lập với xylose,

đã được tìm thấy trong Escherichia Intermedia.Các enzyme là một phosphor glucose

isomerase (EC 5.3.1.9), mà có thể isomerase không phải phosphoryl hóa đường duy nhất

trong sự hiện diện của arsenate.Takasaki và Tanable đã phân lập từ Bacillus megaterium

AI một glucose isomerase (EC 5.3.1.18) mà NAD liên kết và cụ thể với glucose.Một glucose isomerase tương tự hoạt động, xúc tác đồng phân của cả hai đường glucose và

mannose với fructose, được phân lập từ Paracolobacterium aerogenoides

Glucose isomerase được sản xuất bởi vi khuẩn acid heterolactic yêu cầu xylose như một chất cảm ứng và tương đối ổn định ở nhiệt độ cao hơn Trong số này các hoạt động glucose – isomerizing, xylose isomerase (EC 5.3.1.5) là phù hợp nhiều nhất cho các hoạt động thương mại.đó là nhiệt độ ổn định và không yêu cầu cofactor đắt tiền như NAD hoặc ATP cho hoạt động Enzyme glucose isomerase lần đầu tiên được thực hiện trong quy mô công nghiệp năm 1967 bởi Clinton.Nhu cầu HFCS cho thực phẩm ngày càng tăng

và đến năm 1980 thực tế tất cả các công ty chế biến tinh bột lớn trong thế giới phương Tây đã phải dùng đến công nghệ GI.Ngày nay, enzyme là thị trường lớn nhất trong ngành công nghiệp thực phẩm

2.4.1 Đặc tính của glucose isomerase

Các enzyme và các tính chất hóa lý của GI từ một số sinh vật đã được nghiên cứu rộng rãi Kiến thức rõ ràng các đặc tính của enzyme, như sự ổn định của nó, cơ chất đặc trưng và yêu cầu ion kimloại là quan trọng để ngăn chặn sự bất hoạt của nó và để đánh giá

sự phù hợp cho việc ứng dụng trong sản xuất HFCS

2.4.2 Cơ chất đặc trƣng

Khả năng của các enzyme đồng phân hóa trên các cơ chất đa dạng như pentose, hexoses, sugar alcohols, và đường phosphates đã được nghiên cứu Mặt dù cơ chất đặc trưng của enzyme từ nhiều nguồn thay đổi khác nhau, các enzyme có thể sử dụng D – ribose, L – arabinose, L – rhamnose, D – allose, và 2 – deoxyglucose, cũng như cơ chất

12

phổ biến nhất là D – glucose và D – xylose Đồng phân tối đa được thu với chất nền có các nhóm hydroxyl tại cacbon số 3 và 4 trong vị trí như việc chuyển đổi tỷ lệ của D - glucose đến D – fructose xúc tác bởi GI từ những sinh vật khác nhau ở dạng hòa tan hoặc bất động trong khoảng 26 – 59% Giá trị Km của enzyme cho D – glucose và D – xylose trong phạm vi từ 0.086 đến 0.920M, và 0.005 đến 0.093M

2.4.3 Yêu cầu ion kim loại và các chất đặc trƣng

GI yêu cầu một cation hóa trị II như Mg2+, Co2+, hoặc Mn2+, hoặc một sự kết hợp của các ion này cho hoạt động tối đa Mặt dù cả Mg2+ và Co2+

là rất cần thiết cho hoạt động nhưng khác nhau về vai trò Trong khi Mg2+

tốt hơn Co2+ như một chất hoạt hóa,

Co2+ chịu trách nhiệm cho sự ổn định của enzyme bởi giữ được sự sắp xếp về cấu tạo, đặc biệt là các cấu trúc bậc bốn của enzyme Ion kim loại liên kết trực tiếp đã được nghiên

cứu bởi Danno trên GI từ Bacillus coagulans Kasumi et al đã báo cáo sự hiện diện của

bốn ion Co2+ của GI từ Streptomyces griseofuscus Các hoạt động xúc tác của GI đã được

ức chế bởi các kim loại như Ag2+

, Hg2+, Cu2+, Zn2+ và Ni2+, tuy nhiên Ca2+làm tăng mức

độ hoạt động Chất ức chế khác được biết đến của GI là xylitol, arabitol, Sorbitol, mannitol, lyxose, và Tris

2.4.4 Nhiệt độ và pH tối ƣu

Nhiệt độ tối ưu của GI là từ 60 – 800C và gia tăng trong sự có mặt của Co2+ Giá trị

pH tối ưu là giữa pH 7.0 và 9.0 Enzyme từ Lactobacillus Brevis có pH tối ưu thấp hơn (6

– 7), đó là mong muốn cho các ứng dụng thương mại của GI Các enzyme từ

Streptomycesspp, Bacillus spp, Actinoplanes mis-souriensis, và Thermus thermosulfurogenes ổn định ở mức nhiệt độ cao, GI từ Lactobacillus và Escherichia spp

ít ổn định hơn

2.4.2 Cơ chế hoạt động của glucose isomarase

Mặc dù tầm GI có tầm quan trọng trong thương mại nhưng có rất ít thông tinsẵn có về các tính chất cấu trúc và cơ chế của nó Các cơ chế xúc tác của GI đã

là một chủ đề lớn được các nhà nghiên cứu quan tâm Trước đó, GI đã được giả định là chức năng tương tự như đường phosphate isomerases và làm theo cơ chế enediol (hình dưới)

Các nghiên cứu gần đây do hoạt động của GI đến hydride như một cơ chế chuyển đổi

Kiến thức về cấu hình hoạt động là điều kiện tiên quyết cho việc nghiên cứu mối quan hệ về cấu trúc và chức năng của enzyme Các phương pháp tiếp cận khác nhau đã được nghiên cứu về phạm vi hoạt động của GI và để phân định cơ chế hoạt động của nó Chúng bao gồm thay đổi hóa học, tinh thể lọc tia X và chuyển đổi đồng vị Các tính năng chính của cơ chế đã đề xuất cho GI là mở rộng cơ chất, đồng phân hóa thông qua một hydride chuyển đổi từ C-2 sang C-1, và kết thúc một vòng sản phẩm

2.4.3 Sự chuyển đổi đồng phân hóa học của glucose isomerase

Sự thay đổi hóa học của phần dư acid amin với cụ thể là thuốc thử hóa học như một phương pháp đơn giản của việc khảo sát phạm vi hoạt động của enzyme

Sự tham gia có thể có của histidine trong phạm vi hoạt động của GI đã được mặc nhiên công nhận bằng cách nghiên cứu tác động của diethylpyrocarbonate lên sự ngừng hoạt động của GI

14

Sau đó, bằng chứng cho sự có mặt của một lượng dư histidine cần thiết cho

phạm vi hoạt động của GI từ nhau Lactobacillus spp và Streptomyces spp khác

nhau đã được cung cấp Sự ức chế bởi diethylpyrocarbonate đã được khắc phục bằng hydroxylamine

Tóm lại, sự bảo vệ hoạt động của enzyme là khả năng của cơ chất và cơ chất tương tự xylitol trong suốt quá trình thay đổi hóa học.Histidine được biết đến chức năng như một cơ sở tóm tắt proton và hỗ trợ chuyển đổi hydro

Sự có mặt của một lượng dư aspartate hoặc glutamate trong GI là tài liệu bằng cách bất hoạt bởi thuốc thử K Woodward’s hoặc guanidine hydrochloride Sự tham gia của lượng dư carboxylate kéo theo các ràng buộc của các cofactor ion kim loại Hóa chất sửa đổi, bảo vệ hay không bảo vệ GI và tiếp theo peptide lập bản đồ cho phép xác định với một chuỗi sự đồng thuận bao gồm Phe – His – Xaa – Asp – Xaa – Xaa – Pro – Xaa – Gly Kết qủa nghiên cứu về thay đổi hóa học của GI bổ sung cho các kết luận rút ra trân

cở sở nghiên cứu các tinh thể lọc X – Ray

II TỔNG QUAN VỀ TINH BỘT

1 Tính chất của tinh bột sắn

Sắn (Manihot Esculenta Crantz) là một trong những loại cây hoa màu được trồng ở hơn 80 quốc gia có khí hậu nhiệt đới ẩm Trên thế giới sản lượng sắn hằng năm đạt khoảng 175 triệu tấn với diện tích canh tác khoảng 14,15 triệu ha.Ở các nước nhiệt đới tinh bột sắn hầu hết được sản xuất ra sử dụng làm thức ăn cho người, gia súc và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác

Hình9: cây sắn và củ sắn tại việt nam

Tinh bột sắn có màu trắng Trong quá trình sản xuất nếu củ được nghiền mà chưa bóc vỏ, tinh bột thu được sẽ có màu tối Màu sắc của tinh bột ảnh hưởng nhiều đến chất lượng cũng như giá cả của sản phẩm.Củ sắn và tinh bột sắn có pH khoảng 6.0-6.3

(1) tinh bột sắn (2) Cấu trúc của tinh hột

16

lượng amylose nằm trong khoảng 8-29%, nhưng nói chung đa số tinh bột sắn có tỷ

lệ amylose 16-18% Trong một số loại tinh bột thì hàm lượng amylopectin trong tinh bột sắn là cao nhất, cụ thể: amylopectin của tinh bột sắn là 75.64%, trong khi

đó amylopctin của tinh bột sắn dây là 74.72%, của tinh bột huỳnh tinh là 67.48% Ngược lại hàm lượng amylose của tinh bột sắn là thấp nhất chiếm 24.36%, tinh bột sắn dây 25.28%, amyloze của tinh bột huỳnh tinh cao nhất chiếm 32.52%

Hình 11: cấu trúc phân nhánh của amylopectin (Martin và Smith, 1995)

Tinh bột sắn có khả năng hồ hoá sớm, độ nhớt cao thể hiện lực liênkết yếu giữa các phân tử tinh bột trong cấc trúc hạt Xử lý hoá học và lý học (gia nhiệt, xử

lý áp suất hơi, thêm các chất hoá học, thay đổi pH môi trường) cũng như sự có mặt của các chất protein, chất béo, chất có hoạt tính bề mặt đều có ảnh hưởng đến độ nhớt tinh bột sắn

2 Ứng dụng của tinh bột sắn trong công nghiệp sản xuất thực phẩm

Một số thực phẩm có được nhiều người tiêu dung chấp nhận hay không phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc của nó và tinh bột đóng vai trò quan trọng trong việc tạo cấu trúc (texture) cho nhiều loại thực phẩm chức năng của tinh bột thay đổi trong các sản phẩm khác nhau và danh sách các sản phẩm trong đó tinh bột được sử dụng là rất lớn Tinh bột là nguồn năng lượng rẻ tiền, là thành phần chính, là chất

tạo độ đặc, độ chắc cho nhiều lạo sản phẩm Nó có thể được sử dụng ở dạng tự do hoặc đã hồ hóa

Vai trò, chức năng của tinh bột trong các sản phẩm thực phẩm cũng rất đa dạng.Tinh bột là chất kết dính trong các sản phẩm thịt chế biến và thực phẩm ép đùn.Tinh bột tạo tạo độ đúc cho bánh dạng nhân kem, là chất làm bền bọt cho các loại kẹo dẻo và soda, là chất tạo gel trong các loại kẹo gum và thực phẩm mềm dẻo.Tinh bột cũng là tác nhân tạo hình trong các sản phẩm thịt, là chất ổn định cho các sản phẩm đồ uống

(1

)

Bánh quy (2) Bánh mì

Hình12: Ứng dụng của tinh bột trong sản xuất bánh

Kết tinh Bay hơi

Sấy Lọc

Đường maltodextrin Trao đổi cation

Tinh thể hóa Fructose

Fructose HFS

Tinh bột

α-Amylae Glucoamylasee

II QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT

Có 3 giai đoạn trong quá trình thủy phân tinh bột: hồ hóa, dịch hóa và đường hóa Quá trình hồ hóa là quá trình các hạt trương nở kèm theo sự giải phóng các các sợi amylose và amylopectin dưới tác dụng xúc tác của -amylase Trong quá trình hồ hóa, độ nhớt dịch tăng dần và khi quá trình kết thúc độ nhớt dịch sẽ đạt giá trị cực đại Sau đó các sợi amylose và amylopectin tiếp tục được giải phóng trong quá trình dịch hóa và sau đó sẽ bị cắt ngắn tạo thành các dextrin phân tử lượng nhỏ Kết quả độ nhớt của dịch giảm xuống Quá trình đường hóa là quá trình cắt ngắn các phân tử dextrin phân tử lượng nhỏ để tạo ra sản phẩm là các loại đường đơn giản như glucose, maltose…dưới tác dụng xúc tác của enzyme glucoamylase Độ nhớt của dịch khi này được xem là có giá trị thấp nhất

Hình13: Mô hình mô phỏng hình thái hạt tinh bột trong quá trình thủy

phânvà sự biến đổiđộ nhớt

20

Đầu tiên tinh bột sẽ được trộn với nước theo tỉ lệ 30-40% (w/w) ở pH 6.5, 20-80 ppm Ca2+(ổn định và hoạt hóa hoạt tính của enzyme-amylase) Sau đó

6.0-α -amylase được bổ sung vào để thực hiện quá trình hồ hóa.Khi đó môi trường phải

ở điều kiện thích hợp cho enzyme xúc tác Thời gian lưu trong jet cooker rất ngắn, một phần tinh bột đã hồ hóa sẽ được đưa qua hệ thống ống duy trì nhiệt độ 100-

1050C trong khoảng 5 phút để quá trình hồ hóa xảy ra hoàn toàn Sau đó quá trình thủy phân tiếp tục với quá trình dịch hóa trong thùng chứa ở nhiệt độ 90-1000C và kết thúc sau 1 – 2 giờ Cuối cùng nhiệt độ sẽ được hạ về 550C để thực hiện tiếp quá trình đường hóa, quá trình này sẽ kéo dài cho đến lúc dịch thủy phân đạt đến DE cuối theo yêu cầu Tinh bột sau quá trình dịch hóa thường được đưa qua quá trình đường hóa nhưng một phần nhỏ có thể được sấy phun để tạo thành maltodextrin Trong trường hợp này thì chúng ta phải ức chế enzyme bằng cách giảm pH (xuống giá trị thấp hơn giá trị tối thích của enzyme) khi kết thúc quá trình xử lý nhiệt

1 Quá trình hồ hóa tinh bột

Hạt tinh bột không tan trong nước lạnh nhưng có xu hướng trương nở trong nước phụ thuộc vào kiểu và thành phần cấu tạo trong hạt tinh bột Tại nhiệt độ thường và pH trong khoảng 4 – 10, hạt tinh bột tự nhiên không tan mà chỉ hấp thụ nước khoảng 30% khối lượng của nó Hỗn hợp thu được gọi là huyền phù tinh bột Thật ra, ở nhiệt độ này, một số phân tử nước đã chui được vào bên trong cấu trúc của hạt tinh bột nhưng với số lượng không nhiều Nước hấp thụ vào và làm hạt trương nở khoảng 5% thể tích

Dưới nhiệt độ hồ hóa, xảy ra quá trình hút nước và trương nở thuận nghịch Khi được đun nóng, nhiệt năng cung cấp sẽ phá vỡ hàng loạt liên kết hydro ràng buộc các phân tử nước, giúp các phân tử nước này trở nên linh động hơn, dễ dàng tấn công vào cấu trúc micelle của hạt tinh bột, dẫn đến xảy ra quá trình hydrat hóa Khi đó các phân tử nước sẽ chuyển động nhanh hơn và có nhiều phân tử khuếch tán vào bên trong của hạt tinh bột Do đó, hạt tinh bột sẽ trương nở đáng kể, tăng

thể tích và kích thước Dưới tác dụng của nhiệt, một số phân tử amylose và và amylopectin phân tử lượng nhỏ sẽ khuếch tán vào môi trường xung quanh Các phân tử tinh bột này sẽ bị hydrate hóa tạo thành các micelle nhỏ Các micelle này

và các hạt tinh bột đã trương nở sẽ kết hợp lại với nhau bằng liên kết hydro, hình thành các liên kết ba chiều mới, làm độ nhớt tăng lên

Khi nhiệt độ tăng, đường kính hạt tăng đến khi lớp ngoài của hạt bị phá vỡ, lúc này hỗn hợp đạt đỉnh nhớt Sự gia tăng độ nhớt cuối của mẫu hồ hóa đã gia nhiệt được cho là giải phóng các sợi (chủ yếu là amylose) và đoạn nhánh (sự biến dạng) của hạt tinh bột đã trương nở Do đó, hồ tinh bột là một dung dịch bao gồm các hạt đã trương nở lơ lửng trong nước nóng, các phân tử amylose cũng bị phân tán trong này Những tác động qua lại trong dung dịch khi này liên quan đến liên kết hydro nội phân tử giữa các hạt tinh bột với nhau và giữa các hạt tinh bột với nước(Tako và Hizukuri, 1999)

Hình14: quá trình hố hóa của hạt tinh bột

22

Tóm lại quá trình hồ hóa được định nghĩa là sự đứt gãy không thuận nghịch trong cấu trúc các phân tử hạt tinh bột khi được gia nhiệt với lượng nước lấy dư (Sivak và Preiss, 1998) Do đó xảy ra các hiện tượng là chuyển từ huyền phù sang dạng dung dịch keo, và từ dạng dung dịch keo chuyển sang dạng gel (Gomi và cộng sự, 1998; Chatakanonda và cộng sự, 2000) cũng như sự phá hủy cấu trúc liên kết trong mạng (Hsu và cộng sự, 2000) Vùng được hồ hóa đầu tiên là các vùng vô định hình, tại đó liên kết hydro yếu hơn những vùng có cấu trúc tinh thể, do vậy liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột ở vùng đó dễ bị phân hủy, giúp cho hiện tượng hydrat hóa dễ dàng hơn Mặt khác, nhiệt độ cao cũng phá hủy các liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột, giúp các phân tử nước dễ dàng hydrat hóa Trong quá trình hồ hóa, một số phân tử tinh bột bị hydrat hóa mạnh mẽ sẽ tách khỏi mạng lưới micelle, khuếch tán vào môi trường nước gây nên hiện tượng hòa tan tinh bột vào nước nóng

Như vậy nhiệt độ hồ hóa và khả năng hồ hóa của một loại tinh bột nào đó sẽ phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc của mạng lưới micelle trong hạt tinh bột, cấu trúc này được đặc trưng bởi hình dáng, kích thước phân tử, khối lượng phân tử, tỉ lệ giữa amylose và amylopectin, mức độ phân nhánh và chiều dài của nhánh amylopectin Ngoài ra nhiệt độ hồ hóa còn phụ thuộc vào tính chất lý hóa của chất khuếch tán và môi trường khuếch tán Biliaderis và Tonogai (1991) nghiên cứu những ảnh hưởng khi các hạt tinh bột liên kết với lipid vào những đặc tính nhiệt, nhớt, dẻo của gel tinh bột và nhận thấy việc thêm các lysophospholipid làm giảm enthalpy hồ hóa của tinh bột cùng với sự gia tăng về nhiệt độ tại điểm chuyển đổi amylose – lipid xảy ra Nguyên nhân là do các lipid tạo phức với amylose trên bề mặt hạt do đó ngăn cản sự xâm nhập các phân tử nước và hạt tinh bột làm hạn chế quá trình trương nở của hạt

Garcia, V và cộng sự (1997) đã nghiên cứu những thay đổi về cấu trúc của hạt tinh bột sau khi gia nhiệt trong nước với hàm lượng nước khác nhau Hình ảnh hiển vi quang học cho thấy hạt khi bị gia nhiệt dưới nhiệt độ bắt đầu hấp thu nhiệt (To) không làm ảnh hưởng đến hạt Sau khi gia nhiệt đến các nhiệt độ khác nhau,

hình ảnh hiển vi quang học cho thấy, tương ứng với hàm lượng nước khác nhau trong suốt quá trình, có 4 hình thái riêng biệt trong tập hợp hạt: hạt nguyên, hạt bị mất một phần tính lưỡng chiết, hạt không có tính lưỡng chiết nhưng còn dạng hình cầu và hạt không còn nguyên vẹn Sự thay đổi càng rõ ràng khi thực hiện quá trình gia nhiệt với hàm lượng nước và nhiệt độ cao hơn

24

 Độ nhớt tăng cực đại

 Hạt tinh bột trương nở tối đa

 Nhiệt độ của dung dịch tăng

 Nồng độ chất khô tăng

 Biến đổi hóa học:

 Xảy ra sự hydrate hóa các nhóm hydroxyl tự do và hình thành liên kết hydro với nước

 Biến đổi hóa lý:

 Hạt tinh bột tiếp tục hấp thu nước, khi nhiệt độ càng tăng thì khả năng hút nước càng tăng, lên đến 2500% nước

 Hệ chuyển từ dạng huyền phù sang dung dịch nhớt đồng nhất

 Tăng khả năng hòa tan

 Biến đổi cảm quan: màu sắc từ đục chuyển sang trong hơn

Hình 16 : Thiết bị Henze Cooker

2 Quá trình dịch hóa tinh bột

Sau giai đoạn hồ hóa hạt tinh bột trương nở nhưng vẫn còn nguyên vẹn.Khi

ta tiếp tục gia nhiệt hỗn hợp, sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử tinh bột

trong hỗn hợp dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ làm cho liên kết giữa các phân tử tinh bột với nhau, giữa tinh bột với nước trở nên lỏng lẻo Kết quả là các phân tử amylose và amylopectin được giải phóng từ dạng “liên kết” trong cấu trúc hạt tinh bột sang dạng “tự do” Quá trình này được gọi là quá trình dịch hóa.

 Biến đổi hóa học:

 Hạt tinh bột bị phá tung, phá vỡ các liên kết hydro giữa nước và các sợi tinh bột

 Phản ứng Maillard giữa đường và acid amine tạo ra sản phẩm có màu

 Thủy phân một phần tinh bột tạo những mạch dextrin có chiều dài mạch ngắn hơn

 Biến đổi hóa lý:

 Sự bốc hơi nước

 Khả năng hòa tan của tinh bột tăng

 Biến đổi hóa sinh:

 Enzym α-amylase hoạt động cắt các mạch amylose và amylopectin thành các dextrin mạch ngắn có khả năng hòa tan

 Biến đổi sinh học:

 Vi sinh vật bị ức chế hoặc tiêu diệt

c Các thông số công nghệ:

 Nhiệt độ: 105o

C

Sản phẩm của quá trình dịch hóa là maltodextrin được lọc, tẩy màu, sau đó cô đặc hoặc sấy phun Dung dịch dextrin cũng có thể tiếp tục được đường hóa để thu các sản phẩm khác

3 Đường hóa

Sản phẩm tạo thành của quá đường hóa là maltodextrin, các oligosacarit, đường glucose, maltose và maltotriose.Lúc này tinh bột trở nên “hòa tan” trong nước, độ nhớt của hỗn hợp giảm đi đáng kể.Quá trình này được thực hiện dưới sự

có mặt của enzyme α-amylase và -amylase hình thành các phân tử có chiều dài mạch ngắn hơn.Enzyme này có thể có trong bản thân hạt tinh bột hay được bổ sung

từ ngoài vào Tiếp theo enzyme glucose-amylase sẽ được bổ sung vào để tiến hành thủy phân hoàn toàn các phân tử mạch ngắn để hình thành đường glucose Tùy theo loại sản phẩm mong muốn quá trình chuyển hóa này có thể được xúc tác bởi một hay kết hợp nhiều enzyme Khi sử dụng enzym amiloglucosidase sẽ cho ra các sản phẩm giàu glucose.Còn thủy phân bằng một hỗn hợp các enzym β - amylase và pululanase thì cho sản phẩm giàu maltose (90%) Để tách riêng hai quá trình dịch hóa và đường hóa thì cần sử dụng những điều kiện nhiệt độ và pH tối ưu để tăng hoạt độ của enzym cũng như để cơ chất có trạng thái hòa tan tốt

a Mục đích công nghệ:

 Khai thác : Tạo thành syrup có thành phần chủ yếu là glucose, các đường đơn giản và các dextrin mạch ngắn

b Các biến đổi:

 Biến đổi vật lý:

 Giảm độ nhớt

 Tăng khả năng truyền nhiệt của dung dịch

 Tăng hàm lượng chất khô

 Biến đổi hóa học:

 Phản ứng thủy phân cắt dextrin mạch dài (sản phẩm sau quá trình dịch hóa) thành sản phẩm chính là glucose, các đường đơn giản khác và dextrin mạch ngắn,…

 Phản ứng Maillard tạo thành các chất màu làm sẫm màu dịch thủy phân

 Biến đổi hóa lý: tăng khả năng hòa tan

 Biến đổi hóa sinh:

 Có tương tác đồng thời của enzym - amylase và glucoamylase lên các mạch polysaccharide và oligosaccharide, tạo hỗn hợp sản phẩm gồm maltose, glucose, triose và các oligosaccharide khác Trong đó glucoamylase hoạt động với điều kiện tối thích còn - amylase vẫn hoạt động nhưng hoạt tính yếu hơn

c Các thông số công nghệ:

Nhiệt độ: 55-60oC pH: 5.0-5.5

Thời gian: 24-48h Lượng enzym: 2000Ukg-1 hàm lượng chất khô

28

III CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT MALTODEXTRIN TỪ TINH BỘT SẮN BẮNG

PHƯƠNG PHÁP EMZYME VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG SẢN XUẤT CÁC SẢN PHẨM TỪ THỰC PHẨM

1 Đặc điểm đường maltodextrin

Maltodextrin là loại polysaccharide không ngọt có công thức (C6H10Ọ5)nH2O, là sản phẩm thủy phân tinh bột không hoàn toàn( bằng enzyme α-Amylase), có đương lượng là DE từ 4 đến 20 Đặc tính của maltodextrin phụ thuộc vào De nhận được Sản phẩm có thể ở dạng bột màu trắng hoặc dung dịch đặm đặc Maltodextrin thường làm phụ gia thực phẩmvà dược phẩm an toàn với người dùng trực tiếp Đặc tính hóa lý tăng, giảm sự hấp thụ chỉ số De được biểu diễn trong sơ đồ

Sơ đồ: biến đổi tính chất hóa lý của maltodextrin theo giá trị DE

Ức chế tăng trưỏng tinh thể

Khả năng hòa tan

Hình 18: sơ đồ sản xuất Maltodextrin liên tục bằng phương pháp emzyme

2.1 Thuyết minh quy trình:

Sau quá trình hồ hóa và dịch hóa ta sẽ thực hiện các công đoạn sau để thu nhận đường maltodextrin

2.1.1 Tẩy màu:

a Mục đích:

Dung dịch tinh bột sau thuỷ phân bị sẫm màu do các sản phẩm phản ứng phân huỷ protein, phân huỷ các đường đơn giản và các sản phẩm của phản ứng Mailard Chính vì thế mà maltodextrin cần được tẩy màu bằng than hoạt tính để thu dung dịch trong, hoàn toàn không màu, không mùi và không vị

b Cách tiến hành :

Dịch Maltodextrin được pha loãng đến nồng độ chất khô 20% Sau đó tẩy màu bằng than hoạt tính (tỷ lệ than 0.2-0.3% chất khô) Để thuận lợi cho quá trình tẩy màu bằng than hoạt tính, dung dịch có pH=5.6, tức là dung dịch hơi mang tính acid yếu, hơn nữa ở pH này, một số aminoacid kết tủa được tách ra hết Cần chú ý rằng khi tỉ lệ các chất hấp phụ cho vào dầu lớn thì tổn thất dầu theo chất hấp phụ càng nhiều, tuy rằng khả năng làm sáng màu dịch maltdextrin có tăng lên

Người ta tiến hành tẩy màu trong các thiết bị có độ chân không 690-700 mmHg, có cánh khuấy, gia nhiệt gián tiếp đến nhiệt độ 90-95oC trong khoảng thời gian 2-2.5 giờ tính cả thời gian lọc Sau khi tẩy màu, tiến hành lọc dầu bằng máy lọc khung bản, hoặc dùng máy li tâm để tách các chất hấp phụ ra khỏi dịch maltodextrin, nhiệt độ lọc khoảng < 60oC

c Yêu cầu kỹ thuật khi tẩy màu:

32

Nhiệt độ tẩy màu giữ khoảng 60oC thích hợp cho việc bảo đảm chất lượng sản phẩm và hiệu suất tẩy màu cao.Dung dịch sau khi tẩy màu phải có màu trắng nhạt.Độ pH vào khoảng 6.9-7.Độ nhớt thấp

Hình 19: thiết bị tẩy màu

2.1.2 Quá trình lọc

a Mục đích

Dung dịch tinh bột sau thuỷ phân thường chứa khoảng 0.9-1.9 % khối lượng các chất lơ lửng (bao gồm các phân tử protein, lipid trong nguyên liệu ban đầu, tinh bột chưa thuỷ phân) Dung dịch sau khi tẩy màu được lọc bằng phương pháp lọc hút chân không hoặc lọc ép khung bản có trợ lọc bằng diatomic (áp suất lọc có thể lên tới 0.3-0.5 MPa) ở nhiệt độ ít nhất là 70oC

b Cách tiến hành

Để chuẩn bị lọc, các bản lọc được bọc lưới lọc và lắp xen kẽ với các khung trên giá, được khép chặt nhờ cơ cấu thuỷ lực.Bắt đầu quá trình, máy được tráng và làm nóng bằng nước nóng.Dịch thuỷ phân được bơm vào đường dẫn đỉnh, từ đó phân phối vào đầy các khung.Nếu quá đầy sẽ làm cho khối bã bị nén chặt dẫn đến trở ngại lọc.Nếu ít sẽ tạo

ra các khoảng trống cho phép nước rửa bã đi tắt không qua bã lọc.Thể tích máy lọc có thể được thay đổi để phù hợp với thể tích khối thuỷ phân bằng thay đổi số lượng khung bản

sử dụng.Khi khối thuỷ phân bơm được vào các khung thì phải mở đường thoát khí và hơi.Ngay khi máy đầy, đường xả khí được đóng kín và một thể tích nhỏ dịch thuỷ phân vẫn tiếp tục được bơm vào máy với lưu lượng nhỏ nhằm tránh làm tăng áp suất quá cao

Khi tất cả dịch lọc được bơm vào máy thì mở hệ thống valve thu hồi nước lọc, chảy theo các rãnh dọc các đĩa, qua các valve để ra đường dẫn dịch Nước lọc được hồi lưu qua các lớp lọc tới khi dòng chảy bắt đầu, các hạt phân tán trong dịch thuỷ phân bên trong các khung bắt đầu được phân cấp theo phương ngang Đối với lọc khung bản cho phép bột nghiền mịn nhưng tỷ lệ mịn không quá cao, nếu không bột mịn sẽ lấp các mao quản lọc, làm tăng trở lực lọc và hiệu suất lọc chung

Quá trình rửa bã được tiến hành khi nước lọc bã đầu được thu hồi gần hết nhưng trước khi lớp bã bị khô Nước lọc đi xuyên qua lớp bã mặt này sang mặt khác Tốc độ rửa

bã và áp suất rửa được thiết lập từ thực tế quá trình, căn cứ trên đặc tính của máy, tình thiết bị thu nhận bã rơi trạng vải lọc Sau khi rửa bã hoàn tất, nước rửa được tháo khô Các khung bản được tháo rời để vào bã

Hình 20: thiết bị lọc khung bản

Chú ý: Lượng nước bốc hơi có liên quan tới đặc tính của nguyên liệu, nhiệt độ của khí nóng ở miệng cửa ra và cửa vào Khi nhiệt độ ở cửa ra là 90OC, xem đường đồ thị thể hiện lượng nước bốc hơi (để tham khảo khi lựa chọn số hiệu thiết bị), cùng với sự đổi mới liên tục của sản phẩm, các thông số có liên quan cũng được thay đổi theo và sẽ không được thông báo trước

Hình 22: Cấu tạo thiết bị sấy phun

11- Bộ phun sương

c Một số thiết bị sấy phun thường dùng

Máy sấy phun sương kiểu thông thường ứng dụng cho sấy các loại dung dịch có hàm lượng chất rắn 25% đến 30% Máy ứng dụng tốt cho sấy dung dịch, thực phẩm, hóa chất, các loại nguyên liệu không nhạy nhiệt