TÍNH CHẤT, ỨNG DỤNG acid citric

- Năm 1917, nhà hóa học thực phẩm người Mỹ là James Currie phát hiện ra rằng một số biến thể của nấm Aspergillus niger có thể là các nhà sản xuất acid citric có hiệu quả và Pfizer bắt đầ

Bộ công thương Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm

Môn: Hóa sinh 2 TIỂU LUẬN:

ACID CITRIC:

ĐẶC TÍNH, ỨNG DỤNG, TỔNG HỢP,

ĐIỀU CHẾ VÀ CHIẾT SUẤT

GVHD: Nguyễn Thị Mai Hương SVTH :

Đào Trúc Linh 12018301 Nguyễn Trần Ngọc Mai 12018951 Phan Thị Thanh Trúc 12020371 Lớp DHTP8A

Khóa: 2012 -2016 TPHCM, ngày 31 tháng 5 năm 2014

Bảng phân công nhiệm vụ

Mục lục

I Tổng quan về acid citric 4

1 Acid citric 4

2 Lịch sử 4

II Đặc tính của acid citric 5

1 Cấu tạo, danh pháp 5

2 Tính chất 5

2.1 Tính chất vật lý 5

2.2 Tính chất hóa học 6

III Ứng dụng của acid citric 6

1 Acid citric tác dụng sinh lý lên cơ thể 6

2 Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm 7

2.1 Tạo vị chua 8

2.2 Cơ chế tác dụng chống vi sinh vật 8

2.3 Cơ chế tác động lên quá trình oxi hóa chất béo 8

2.4 Cơ chế tác động lên quá trính oxi hóa rau quả 12

2.5 Liều lượng sử dụng acid citric trong một số loại thực phẩm tiêu biểu 12

3 Các ứng dụng khác 13

IV Chiết suất acid citric 14

V Tổng hợp và điều chế acid citric 15

1.Nguồn nguyên liệu 15

1.1 Yêu cầu đối với nguyên liệu lên men 15

1.2 Cơ sở lý thuyết và cơ chế hình hành acid citric 15

1.3 Nguồn nguyên liệu glucid 16

1.4 Nguồn vi sinh vật sử dụng để lên men 16

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá tình sản xuất acid citric 17

2.Công nghệ sản xuất acid citric bằng phương pháp lên men 17

2.1 Quy trình công nghệ 17

2.2 Các phương pháp lên men acid citric 19

VI Kết luận 25

Danh mục tài liệu tham khảo 26

I Tổng quan về acid citric:

Trong chanh chứa hàm lượng acid citric rất cao

2 Lịch sử:

- Vào thế kỷ thứ 8, nhà giả kim thuật JabirIbn Hayyan, người Iran đã phát hiện ra acid citric.Các học giả thời Trung cổ tại châu Âu cũng đã nhận thức về bản chất axít của các loại nước cam,

chanh; những kiến thức như thế được ghi lại trong Bách khoa Toàn thư thế kỷ 13 Speculum

Majus (Tấm gương Lớn), do Vincent of Beauvaisviết

- Năm 1860, Sản xuất acid citric quy mô công nghiệp bắt đầu từ dựa trên ngành công nghiệp sản xuất các loại quả cam chanh của Italia

- Năm 1784, Acid citric lần đầu tiên được Carl Wilhelm Scheele, một nhà hóa học người Thụy Điển, cô lập trong đó ông kết tinh nó từ nước chanh

- Năm 1993, C.wehmer phát hiện ra nấm mốc có thể tạo nên acid citric từ đường.Tuy nhiên, sản xuất sinh học của acid citric đã không trở thành quan trọng về mặt công nghiệp cho tới tận khi Thế chiến I làm gián đoạn xuất khẩu cam chanh của Italia

- Năm 1917, nhà hóa học thực phẩm người Mỹ là James Currie phát hiện ra rằng một số biến thể

của nấm Aspergillus niger có thể là các nhà sản xuất acid citric có hiệu quả và Pfizer bắt đầu sản

xuất ở quy mô công nghiệp bằng kỹ thuật này sau đó 2 năm

- Trước 1920, acid citric được sản xuất chủ yếu ở Sicily và công ty Arenella( Palermo) và độc quyềnsản xuất

- Năm 1923, tại New York, acid citric được sản xuất từ vi sinh vật theo phương pháp lên men bề mặt

- Năm 1929.Citrique Belge bắt đầu sản xuất

- Năm 1930, phương pháp lên men chìm được sử dụng để sản xuất acid citric

- Hiện nay cả hai phương pháp lên men chìm và lên men bề mặt đều được sử dụng để sản xuất acid ctric

II Đặc tính của acid citric

1 Cấu tạo, danh pháp:

- Công thức phân tử: C6H8O7 (dạng khan), C6H8O7.H2O (monohydrat)

- Công thức cấu tạo:

Hình: Công thức cấu tạo của acid citric (Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Citric_acid)

- Danh pháp IUPAC: Acid 2-hydroxypropan-1,2,3-tricacboxylic

- Tên khác: Acid 3-hydroxypentanedioic axit 3-cacboxylic, Citrat hiđrô, E330

2 Tính chất:

2.1 Tính chất vật lý

- Có dạng: axit citric là chất bột kết tinh màu trắng (ở nhiệt độ phòng) Nó có thể tồn tại dưới dạng khan (không chứa nước) hay dưới dạng ngậm một phân tử nước (monohydrat) Dạng khan kết tinh từ nước nóng, trong khi dạng monohydrat hình thành khi axit citric kết tinh từ nước lạnh Dạng monohydrat có thể chuyển hóa thành dạng khan khi nung nóng tới trên 740C Acid citric cũng hòa tan trong etanol khan tuyệt đối (76 phần acid citric trên mỗi 100 phần etanol) ở 150

C

- Có vị chua đặc trưng

- Khối lượng phân tử: 192.13 g/mol

- Nhiệt độ nóng chảy: 1530C

- Nhiệt độ sôi: 1750C (phân hủy)

- Độ hòa tan trong nước: 133g/100ml (200C)

- Độ acid( pKa): pKa1= 3.15, pKa2= 4.77, pKa= 6.40

2.2 Tính chất hóa học

- Về mặt hóa học thì acid citric cũng có tính chất tương tự như các axit carboxylic khác Khi nhiệt độ trên 1750C thì nó phân hủy tạo thành CO2 và nước.Nó cũng được coi là tác nhân làm sạch tốt về mặt môi trường và đóng vai trò của chất chống oxy hóa

- Tính axit của acid citric: là do ảnh hưởng của nhóm carboxyl -COOH, mỗi nhóm carboxyl có thể cho đi một proton để tạo thành ion citrat

- Tính đệm của các muối citrat: dùng làm dung dịch đệm rất tốt để hạn chế sự thay đổi pH của các dung dịch acid

- Các ion citrat: kết hợp với các ion kim loại để tạo thành muối, phổ biến nhất là muối canxi citrat dùng làm chất bảo quản và giữ vị cho thực phẩm Bên cạnh đó ion citrat có thể kết hợp với các ion kim loại tạo thành các phức dùng làm chất bảo quản và làm mềm nước

III Ứng dụng của acid citric

1 Acid citric tác dụng sinh lý lên cơ thể

- Trong sinh học, nó là tác nhân trung gian quan trọng trong chu trình acid citric và vì thế xuất hiện trong trao đổi chất của gần như mọi sinh vật

- Nó cũng được coi là tác nhân làm sạch tốt về mặt môi trường và đóng vai trò của chất chống ôxi hóa

- Acid citric là một trong những hợp chất tham gia vào chuỗi phân giải các chất béo, peotein và cacbohirat thành dioxit cacbon và nước

- Chuỗi các phản ứng hóa học này là trung tâm của gần như mọi phản ứng trao đổi chất và là nguồn của hai phần ba năng lượng có nguồn gốc từ thực phẩm trong các sinh vật bậc cao Nó được Hans Adolf Krebs phát hiện Krebs đã nhận Giải Nobel Sinh lý và Y khoa năm 1953 cho phát hiện này Chuỗi các phản ứng này được biết đến dưới nhiều tên gọi khác nhau, như chu trình acid citric, chu trình Krebs hay chu trình acid tricacboxylic (hay chu trình TCA)

* Một số tác dụng không mong muốn:

 Việc tiếp xúc với acid citric khô hay đậm đặc có thể gây ra kích ứng da và mắt, tiếp xúc gần với mắt có thể gây bỏng và làm mất thị giác

 Đôi khi hàm lượng quá cao acid citric có thể gây tổn hại cho tóc, do nó mở lớp cutin của tóc Nó có thể làm mất các chất cần thiết cho tóc và làm cho tóc bị bạc màu

 Việc sử dụng quá nhiều acid citric cũng dễ làm tổn hại men răng

Sơ đồ chu trình acid citric

- Vị chua được cảm nhận như là vị chua của ion H+, vì vậy vị chua có quan hệ mật thiết với nồng

độ của các acid Các acid khác nhau thì có độ chua khác nhau Các acid vô cơ cho vị chua mạnh hơn nhiều lần so với các acid hữu cơ

- Acid citric là một acid hữu cơ yếu được cho phép sử dụng trong thực phẩm để tạo vị chua

 Tác dụng trực tiếp: ức chế hoặc khử các hoạt tính của các enzyme, làm ngừng các phản ứng trong các quá trình trao đổi chất trong tế bào vi sinh vật

 Tác dụng gián tiếp: làm giảm hoạt tính của nước, tạo áp suất thẩm thấu, khiến cho tế bào

vi sinh vật bị mất nước và tiêu nguyên sinh Hấp thu và cố định một số kim loại làm cho một số quá trình trao đổi chất trong tế bào bị rối loạn

Acid citric không được sử dụng trực tiếp với vai trò là chất chống vi sinh vật Nó thể hiện một số hoạt tính chống một số nấm mốc và vi khuẩn Acid citric ở nồng độ 0, 75% thể hiện khả năng ức chế nhẹ sự phát triển nhưng ức chế mạnh sự sinh tổng hợp các toxin của loài Aspergillus parasiticus Với loài Aspegillus versicolor nồng độ trên có thể kìm hãm sự phát triển nhưng để ức chế sự sinh tổng hợp các toxin thì chỉ cần nồng độ 0, 25% Trái lại, acid citric 0, 75% không ảnh hưởng đến sự phát triển và sự tạo ra toxin của loài Penicillium expansum

Người ta nghiên cứu và thấy rằng acid citric có khả năng ức chế Samonella mạnh hơn acid lactic và acid hydrochloric

2.3 Cơ chế tác động lên quá trình oxi hóa chất béo

 Sự oxy hóa chất béo:

Quá trình xảy ra trong sản xuất, bảo quản và chế biến thực phẩm có sự hiện diện của chất béo Sự oxy hóa chất béo là nguyên nhân hạn chế thời gian bảo quản của các sản phẩm

Sự oxy hóa chất béo không no được khởi tạo bằng việc tạo thành các gốc tự do dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, ion kim loại và oxy Thông thường phản ứng xảy ra trên nhóm metyl cận

kề với nối đôi của C=C

Cơ chế phản ứng oxy hóa chất béo xảy ra phức tạp, có thể chia thành 3 giai đoạn là: Khởi tạo, lan truyền – tạo các sản phẩm trung gian và kết thúc phản ứng

- Khởi tạo

- Lan truyền - tạo các sản phẩm trung gian

- Thành phần acid béo:

Chất béo là hỗn hợp ester của các acide béo no và không no với glycerin Sự hiện diện của các nối đôi, các acide béo không no dễ bị oxy hóa hơn các chất béo no Phản ứng sẽ gia tăng khi

tỉ lệ nối đôi càng cao

Ví dụ: tốc độ oxy hóa (tương đối) của một số chất béo tỉ lệ như sau:

Arachidonic : Linolenic : Linoleic : Oleic

40 : 20 : 10 : 1

Vị trí nối đôi cũng như vị trí hình học của nối đôi cũng có tác dụng đến tốc độ phản ứng Các acid ở dạng cis bị oxy hóa nhanh hơn dạng trans Mạch acide béo có các nối đôi cộng hưởng cũng làm tăng tốc độ phản ứng Sự oxy hóa các chất béo no xảy ra rất chậm tại nhiệt độ thường, tại nhiệt độ cao (chiên, xào…) sự oxy hóa chất béo no mới có thể xảy ra

* Acide béo tự do

Acide béo tự do (FFA) bị oxy hóa rất nhanh so với các ester - glycerin Khi nghiên cứu chất béo hiện diện trong thực phẩm ở giai đoạn đầu ti ên, hầu hết đều có sự hiện diện của các chất chống oxy hóa thiên nhiên

Trong thí nghiệm nếu thêm vào 0,1% FFA thì hiệu quả chống oxy hóa của tocopherol giảm rõ rệt vì acid béo tự do có tác dụng xúc tác quá trình oxy hóa

Thông thường thì sự oxy hóa chất béo gia tăng theo nhiệt độ Do sự hòa tan của oxy phụ thuộc vào nhiệt độ vì vậy tác động của yếu tố oxy trong quá tr ình oxy hóa tại nhiệt độ cao là rất

ít

Sự phụ thuộc của nhiệt độ trên quá trình oxy hóa chất béo được biểu thị bằng công thức:

Trong đó:

K: hằng số tốc độ phản ứng

A: hằng số Entropy (không phụ thuộc vào nhiệt độ)

Ea: năng lượng hoạt hóa

độ oxy hóa chất béo càng cao

 Cơ chế chống oxy hóa chất béo:

Gọi AH là chất chống oxy hóa chất béo Phản ứng chống oxy hóa chất béo xảy ra theo sơ đồ sau:

Chất trợ chống oxy hóa chất béo được thêm vào để tăng hiệu quả chống oxy hóa Các chất quan trọng thường được sử dụng là: acide citric và các ester monoglycerid citrat, acid ascorbic và ascorbyl palmitat

Các ester lipophilic của acide citricm acid ascorbic có khả năng hòa tan trong dầu

Thông thường:

Citric + chất chống oxy hóa tổng hợp

Ascorbic + tocopherol

Chất trợ chống oxy hóa chất béo có các chức năng:

- Tạo môi trường acide ổn định để chống oxy hóa chất béo

- Loại bỏ hoạt tính các ion kim loại (tạo phức vô hại)

- Loại bỏ oxy (oxy hóa ascorbic)

- Phục hồi chống oxy hóa

Cơ chế phục hồi chất chống oxy hóa

SH + A → AH + S

Xét cho cùng chất chống oxy hóa chất béo bằng phụ gia thực chất là:

-Ngăn chặn nguyên nhân gây ra phản ứng oxy hóa

-Ngăn chặn các phản ứng lan truyền

 Cơ chế của acid citric:

Acid citric được dùng trong quá trình sản xuất salami nhằm hỗ trợ trong quá trình acid hóa Thông thường khi bổ sung 1g acid citric vào 1kg salami thì có thể giảm giá trị pH khoảng 0.2-0.3 đơn vị Acid citric thể hiện khả năng acid hóa salami tốt gấp 2 đến 3 lần so với GDL (glucono-delta-lactone), một hợp chất được dùng nhằm làm giảm pH của sản phẩm

Ngoài ra, acid này cũng đóng vai trò tác nhân tạo phức khi nó kết hợp với những ion kim loại nặng như Cu, Fe Những ion kim loại nặng này có khả năng tăng tốc độ phản ứng oxi hóa Khi acid citric tạo phức với những ion trên, chúng sẽ không oxi hóa chất béo được nữa Trong bản thân chất béo của động vật, hàm lượng ion kim loại nặng không cao, nhưng trong những sản phẩm như xúc xích, hàm lượng này khá cao do những ion này xâm nhập từ thịt trong quá trình chế biến

Tuy nhiên, chỉ bổ sung acid citric với lượng vừa đủ để tránh làm giảm pH của sản phẩm

2.4 Cơ chế tác động lên quá trính oxi hóa rau quả

 Quá trình oxy hóa của rau quả:

Polyphenol là một nhóm hợp chất mà trong công thức cấu tạo có chứa vòng benzen và ít nhất

2 nhóm OH trở lên Lượng polyphenol có trong hầu hết các loại rau, củ, quả…, tùy theo loại nguyên liệu mà hàm lượng polyphenol sẽ khác nhau Cùng tồn tại trong nguyên liệu rau quả là enzym polyphenoloxidase Khi tiếp xúc với oxi không khí, hoạt động của enzym polyphenoloxidase sẽ được kích hoạt và trở thành xúc tác cho phản ứng oxy hóa các hợp chất polyphenol thành những hợp chất mới gây sẫm màu và tạo vị đắng cho rau quả

Hợp chất phenol rất dễ bị oxy hóa trong các điều kiện khác nhau Chúng có thể bị oxy hóa trong môi trường bình thường có không khí ẩm, phản ứng trở nên mạnh hơn trong môi trường kiềm Enzym polyphenoloxidase ở thực vật có thể tồn tại ở 2 dạng: tự do và liên kết Polyphenoloxidase là nhóm enzym oxydoreductase có nhiều trong mô động vật, thực vật, nấm mốc…

Phản ứng oxy hóa này còn gọi là phản ứng sẫm màu do enzym Trong một số sản phẩm nó cần được hạn chế như chế biến rau, củ, quả nhưng trong chế biến chè đen thì lại cần phải gia tăng để oxy hóa tanin thành hợp chất quinol tạo màu, hương vị đặc trưng cho trà đen

 Cơ chế của acid citric

Acid citric tạo ra môi trường pH thấp làm chậm vận tốc phản ứng oxy hóa gây sẫm màu Môi trường pH thấp cũng ức chế hoạt động của enzym oxy hóa khử

Enzyme oxy hóa khử là một nhóm enzym, mỗi enzyme sẽ có pH tối ưu, nhiệt độ tối ưu,… cho hoạt động tốt nhất vì vậy muốn điều chỉnh pH để ức chế hoạt động của enzym chúng ta cần biết pH tối ưu của enzyme đó Cụ thể: với enzyme polyphenoloxidase có pH tối ưu trong khoảng 6,0-7,0 _ chúng ta cần hạ thấp pH xuống dưới khoảng này sẽ ức chế được hoạt động của enzym này Tuy nhiên, nếu hạ thấp quá cũng không tốt, pH quá thấp cũng ảnh hưởng không tốt cho sản phẩm thực phẩm, làm biến đổi vị (làm chua), biến tính protein,… ảnh hưởng không tốt đến quá trình tiêu hóa

2.5 Liều lượng sử dụng acid citric trong một số loại thực phẩm tiêu biểu

Theo Quyết định số 3742/2001/QĐ-BYT ngày 31 tháng 8 năm 2001 của Bộ trưởng Bộ Y tế, liều lượng sử dụng acid citric trong một số loại thực phẩm tiêu biểu với hàm lượng sau:

 Sữa lên mem (nguyên kem): 1500ML

 Sữa lên mem (nguyên kem), có xử lý nhiệt sau khi lên men: GMP

 Dầu và mỡ không chứa nước: 100ML

 Bơ và bơ cô đặc: GMP

 Rau, củ đông lạnh: GMP

 Thịt, thịt gia cầm và thịt thú tươi nguyên miếng hoặc cắt nhỏ: 2000ML

 Thịt, thịt gia cầm và thịt thú tươi dạng xay nhỏ: 100ML

 Thủy sản tươi, kể cả nhuyễn thể, giáp xác, da gai tươi: GMP

 Dầu trộn, gia vị (bao gồm các chất tương tự muối): GMP

 Thức ăn cho trẻ dưới 1 tuổi: GMP