Công nghệ chế biến đường glucose

Các tính chất vật lý, hoá học và dinh dưỡng học đường glucose được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp thực phẩm như công nghiệp lên men bia, đồ uống có cồn…, sản xuất bánh mì, tro

I Mở đầu:

1 Giới thiệu chung

Glucose là monosaccaride tiêu biểu, có công thức nguyên là C6H12O6, là loại đường khử, có nhiều ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, là đường dễ tiêu hoá, hấp thu

Đường glucose là sản phẩm quá trình thuỷ phân tinh bột bằng acid hoặc enzyme Có thể dùng tinh bột từ củ hoặc các loại hoà thảo Ở các nước chủ yếu dùng tinh bột bắp và tinh bột khoai tây Ở nước ta chủ yếu dùng tinh bột sắn để sản xuất đường glucose

2 Tính chất và ứng dụng:

Việc sản xuất đường glucose là một ứng dụng quan trong đặc biệt của amilase Các đường glucose thông thường có chỉ số đường khử (tính theo glucose) là 20 đến 65 Dung dịch đường glucose có độ nhớt thấp và thường được bảo quản ở pH 3.5- 5.5 (thêm acetate, citrate hoặc lactate) Người ta dùng dung dịch này để độ ngọt, để ngăn cản sự kết tinh saccharose và làm giảm nhiệt độ đông lạnh của dung dịch (hỗn hợp kem lạnh) Ngoài ra dung dịch đường glucose có khả năng lên men và có độ hút ẩm cao

Glucose có khả năng hoá nâu, có tính tạo khối, tạo viên Giống như các đường đơn khác, glucose bị lên men bởi nấm men và các chủng vi sinh vật khác nhanh hơn so với các nguồn cơ chất khác Do phân tử lượng chỉ bằng một nửa so với đường saccharose ở cùng một khối lượng sử dụng Khi phản ứng với các hợp chất chứa nitơ, glucose tạo ra các chất màu tuỳ thuộc vào điều kiện phản ứng như pH, nhiệt độ, nồng độ và bản chất các hợp chất chứa nitơ

Đường glucose cũng tham gia các phản ứng như isomer hoá trong môi trường kiềm

để tạo thành fructose và mannos, phản ứng phân huỷ kiềm tạo thành acid carboxylic, phản ứng hydro hoá tạo thành sorbitol, phản ứng phân huỷ kiềm và hydro hoá để tạo thành glycol; 1,2- propanediol và glycerol, phản ứng oxy hoá để tạo thành acid gluconic và acid glucaric

Các tính chất vật lý, hoá học và dinh dưỡng học đường glucose được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp thực phẩm như công nghiệp lên men (bia, đồ uống có cồn…), sản xuất bánh mì, trong công nghiệp bánh kẹo, đồ hộp, thức ăn nhanh và những lĩnh vực khác như công nghiệp hoá chất và dược phẩm

Đường glucose được sử dụng trong sản xuất bánh mì để tăng khả năng lên men, tăng

độ dai cho vỏ bánh để dễ cắt, dễ cầm bánh, cải thiện màu, mùi vị và cấu trúc bánh Trong bánh ngọt glucose giúp tăng thể tích, cấu trúc, tính cân đối của bánh Glucose kiểm soát độ ngọt và vị trong các loại bánh bích quy, nó được phủ lên trong quá trình nướng để tạo màu cho bề mặt và làm mềm bánh

Glucose cũng mang lại cấu trúc mềm mại, vị ngọt diệu và khả năng chảy tốt cho các sản phẩm kem và đồ tráng miệng lạnh Trong lên men bia glucose được sử dụng như cơ chất có khả năng lên men bổ sung để làm giảm lượng cacbohydrate và lượng calori trong các loại bia

Cơng nghệ chế biến đường Glucose GVHD:PSG.TS Lê Văn Việt Mẫn

chảy, khả năng kết dính cũng như tách rời tốt Glucose cũng là chất tạo độ ngọt, độ mềm dẻo

và dễ cắt trong sản phẩm kẹo dẻo

Trong các loại đồ hộp như nước chấm, xúp rau củ, đồ hộp trái cây, mứt, thạch quả, glucose được sử dụng để cung cấp độ ngọt và vị, tăng độ bền và áp suất thẩm thấu, cải thiện cấu trúc và chất lượng thẩm mỹ của sản phẩm Glucose cũng tham gia vào quá trình tạo màu cho sản phẩm như xúc xích, bơ đậu phộng…

Trong cơng nghiệp dược, glucose được sử dụng để truyền tĩnh mạch, hay để đĩng viên Nĩ cũng được sử dụng như nguyên liệu của các quá trình lên men sản xuất các acid hữu

cơ, vitamine, kháng sinh, emzyme, acid amine, polysaccharide… Nhu cầu glucose cao nhất

là trong lĩnh vực sản xuất cồn ethanol nhiên liệu

Đặc biệt đường glucose là một ứng dụng thực tiễn trong sản xuất nước quả, đây là nguyên liệu được phối trộn vào dịch quả nhằm làm tăng hương vị và giúp cho sản phẩm đạt chất lượng tuyệt hảo hơn đồng thời nĩ cũng chính là nguyên nhân giúp hạ chi phí sản xuất bởi vì đường glucose là nguyên liệu dễ chế biến và rẻ hơn nhiều so với saccharose hay cịn gọi là đường kính mà ta vẫn thường hay sử dụng hằng ngày trong gia đình cũng như làm nguyên liệu chế biến một số sản phẩm khác trong cơng nghiệp thực phẩm: bánh kẹo, mứt quả, nước giải khát…

Glucose là chất cần cho mơi trường nuơi vi sinh vật, là đường dễ lên men tạo rượu, acid acetic, acid lactic, acid hữu cơ khác như acid glutamic, acid citric

II Nguyên liệu :

1 Tinh bột sắn:

a Giới thiệu chung :

Tinh bột sắn gồm hai loại polysaccarit khác nhau là amylose (17-20%) và amylopectin

- Amylose: gồm 200 – 1000 phân tử glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4 glucoside tạo thành mạch thẳng Phân tử amylose gồm nhiều chuỗi xếp song song với nhau, trong đó các chuỗi cuộn lại thành hình xoắn ốc Phân tử amylose có 1 đầu khử và 1 đầu không khử

- Amylopectin: gồm 600-6000 phân tử glucose gồm hai loại liên kết α-1,4 glucoside và α-1,6 glucoside, mạch phân nhánh Phân tử amylopectin chỉ có một đầu khử duy nhất

Hình 1: Cấu trúc của mạch amylose

Hình 2: Cấu trúc của mạch amylopectin

b Ưu điểm của nguyên liệu tinh bột sắn :

Sắn có thể thu hoạch quanh năm nên không cần tốn nhiều chi phí cho việc tồn trữ.Giữa các mặt hàng tinh bột, sắn cho sản lượng carbohydrate cao hơn gạo là 40%, và cao hơn ngô vàng là 25%, do đó sắn là nguồn tinh bột rẻ tiền Hơn nữa, so với các vụ mùa khác, sắn chịu được điều kiện trồng khắc nghiệt hơn

Do sắn có hàm lượng tinh bột cao và hàm lượng các chất khác như protein và lipit thấp, do đó nó là nguồn lý tưởng để sản xuất tinh bột tinh khiết Đặc tính quan trọng của tinh bột sắn là không mùi, tạo bột nhão trong, và khả năng kết dính Những đặc tính này giúp cho tinh bột sắn dễ trộn với các tác nhân màu sắc và hương vị

Tinh bột sắn có hàm lượng amylopectin cao nên dễ hòa tan trong nước ở 95oC hơn các loại tinh bột giàu amylose, do cấu tạo cồng kềnh nên không có xu hướng kết tinh trở lại và do đó có khả năng giữ nước lớn

Công nghệ chế biến đường Glucose GVHD:PSG.TS Lê Văn Việt Mẫn

3 Hệ enzyme thủy phân dùng trong sản xuất đường glucose:

Chế phẩm enzyme amilase kĩ thuật và tinh khiết được sản xuất ở dạng dịch đặc có nồng

độ chất khô 50% hay ở dạng bột khô thô hay tinh khiết Phương pháp thu amilase từ canh trưởng rắn hay lỏng, trên cơ bản giống phương pháp chung thu enzyme từ vi sinh vật

Về phương pháp nuôi, ta có thể sử dụng phương pháp bề sâu hay bề mặt

Ví dụ: với chủng Asp Awamori, Asp Niger, endomyces pecies các nước Liên xô cũ, Tiệp Khắc, Đông Đức đã sản xuất glucoamilase ở quy mô công nghiệp bằng phương pháp nuôi chìm

Ở Nhật, Mỹ, Hungari, Tiệp Khắc… nuôi Asp Oryzae tạo α-amilase và Rhizopus neveus tạo glucoamilase bằng phương pháp bề mặt với vi khuẩn B.subtilis người ta nuôi bằng phương pháp chìm thu enzyme α-amilase bền với nhiệt độ cao

Nhóm enzyme amilase, đa phần được tổng hợp bởi nấm mốc và vi khuẩn, một số ít từ

nấm men Các chủng nấm mốc như: Asp Oryzae; Asp Niger; Asp Awamori; Asp.usamii;

Rhyzopus neveus; Asp Patatae; Rhizopus delemar; Rhizopus javamicus; Mucor sp; và một

số loài vi sinh vật khác như Endomycopis, fibuliger; Endomycopis, bifubuliger;

saccharomycs diastaticus… tạo amylase, glucoamilase Từ vi khuẩn B diastaticus, B

Mỗi chủng vi sinh vật có thể tổng hợp nhiều loại enzyme nhưng khối lượng mỗi enzyme tổng hợp được có khác nhau

Ví dụ: Chủng Asp Oryzae( mốc vàng) tổng hợp nhiều α-amilase nhưng ít glucoamilase còn chủng Asp Niger, Asp Awamori ( mốc đen)thì ngược lại tổng hợp nhiều

glucoamilase và ít α-amilase Đặc điểm α-amilase nấm mốc là có pH tối ưu 4,7- 4,9 Ca là nguyên liệu tăng hoạt động của enzyme này α-amilase nấm mốc có khả năng chuyển được 80- 82% tinh bột thành maltose, không tác dụng lên tinh bột sống chỉ tác dụng lên tinh bột đã

Asp Usami tổng hợp nhiều Olygo-1-6-glucozidase thuỷ phân liên kết 1-6-glucoside của tinh

bột

b Glucoamylase

Glucoamylase (3.2.1.3 α-1,4-glucanglucohydrrolase) hay cũng gọi là γ-amilase.Glucoamylase có khả năng cắt đứt từng đơn vị glucose từ đầu không khử của tinh bột Khi thủy phân tinh bột glucoamylase bên cạnh glucose cũng có thể tạo ra oligosaccharide Glucoamylase cũng có thể thủy phân liên kết α-1,6-glucoside trong các oligo- và polysaccharide Ngoài ra glucoamylase cũng có khả năng phân cắt glucogen, amylopectin, dextrin giới hạn, isomaltose và maltose đến glucose

Glucoamylase của Aspergillus và Rhizopus có độ bền cao đối với nồng độ ion H+

c Chế phẩm amilase trong sản xuất đường glucose từ tinh bột:

Từ năm 1960 ở Nhật, 100% glucose được sản xuất bằng phương pháp thuỷ phân enzyme Ở các nước tiên tiến khác, phương pháp dùng enzyme vi sinh vật trong lĩnh vực này cũng đã được áp dụng có hiệu quả và phổ biến, hay phối hợp phương pháp acid và enzyme Trong sản xuất mật tinh bột-glucose 2 enzyme chủ yếu là α-amilase và glucoamilase từ nấm mốc và vi khuẩn Enzyme α-amilase để dịch hoá tinh bột và tạo maltose còn glucoamilase dùng để đường hoá tạo glucose, chế phẩm amilase cho sản xuất glucose được sản xuất từ vi

khuẩn B subtilis, B mesentericus Chế phẩm glucoamilase thường sản xuất từ nấm mốc

Asp Niger; Asp Awamori; Asp Batatae; Rhizopus delamar; Mucor… hay từ một số nấm

men sacchromyce, Endomycoppis…

 Termamyl ( màu vàng nâu lỏng sánh , có độ nhớt cao ) Có chứa anpha- amylase chịu được nhiệt độ cao và được sản xuất từ loài Bacillus licheniformisTính chất : to chịu đựng : 90 – 100 0 C

PHopt : 6-7

Hoạt độ 120 KNU / g ( kilonovo đơn vị )

1 KNU là lượng enzyme phân cắt 5,6 gam tinh bột hòa tan ở nhiệt độ 370 C , PH 5,6 và thời gian từ 7- 20 giờ

 AMGE chứa glucoamylase , được sản xuất từ loài Asp niger , đây là chất lỏng có màu vàng nâu , có tỷ trọng 1,2 g/ml

Tính chất : topt : 60 -62 0C

PH opt : 4.1 – 4.3

Công nghệ chế biến đường Glucose GVHD:PSG.TS Lê Văn Việt Mẫn

 Trạng thái của nguyên liệu sau khuấy trộn ở dạng huyền phù

 Tăng khả năng tiếp xúc giữa hạt tinh bột và nướcBiến đổi cảm quan: sự thay đổi trạng thái của dịch bột

- 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 tanBiến đổi cảm quan: màu sắc từ đục chuyển sang trong hơn

• Các thiết bị:

 Henze cooker:

Công nghệ chế biến đường Glucose GVHD:PSG.TS Lê Văn Việt Mẫn

Hình 1 : Thiết bị Henze Cooker

Tỉ lệ h1:h2:d = 1:2:1.3h1: chiều cao thân hình trụh2: chiều cao đáy cônd: đường kính thân trụThiết bị hình trụ đáy côn, bên trong có 1 trục nối với motor giúp trục xoay Trên trục có những cánh khuấy để đảo trộn cho mẫu đồng nhất Phía dưới có

hệ thống hơi trung tâm Hệ thống van an toàn kết nối trực tiếp với hệ thống hơi trung tâm

Thời gian xả: 20 phút Nhiệt độ: 52-64oC

 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:

Biến đổi sinh học:

- Vi sinh vật bị ức chế hoặc tiêu diệt

Công nghệ chế biến đường Glucose GVHD:PSG.TS Lê Văn Việt Mẫn

Hình 2 : Thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng

- phận chính của thiết bị là những tấm bản hình chữ nhật với độ dày rất mỏng và được làm bằng thép không gỉ

- Mỗi tấm bản sẻ có 4 lổ tại 4 góc và hệ thống các đường rãnh trên khắp bề mặt để tạo

sự chảy rối và tăng diện tích truyền nhiệt

- Khi ghép các tấm bản mỏng lại với nhau trên bộ khung của thiết bị sẽ hình thành nên những hệ thống đường vào và ra cho mẫu khảo sát và chất tải nhiệt Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, các nhà sản xuất sẻ bố trí hệ thống những đường dẩn thích hợp.Nguyên tắc hoạt động :

Thực phẩm sẽ lần lượt đi qua 2 vùng, mỗi vùng gồm 4 khoang được kí hiệu là 4x 2 Chất tải nhiệt sẻ lần lượt đi qua 4 vùng, mỗi vùng gồm 2 khoang và được kí hiệu là 2x4

Thông số công nghê :

- Tăng khả năng truyền nhiệt của dung dịch

- Tăng hàm lượng chất khô

- 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

- Có tương tác đồng thời của enzym α- 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 α- amylase vẫn hoạt động nhưng hoạt tính yếu hơn

c Các thiết bị: Mash tub(Lực làm)

hệ số truyền nhiệt tăng

-Hoá lí: thay đổi pha , tách được pha rắn và pha lỏng

Công nghệ chế biến đường Glucose GVHD:PSG.TS Lê Văn Việt Mẫn

-Khi bắt đầu bơm nhậo liệu vào, mở van khí thoát ra,mở van nhập liệu chậm, điều khiển tốc

độ chảy để để áp lực lọc chậm và đều ,tránh áp lực tăng quá nhanh, ảnh hưởng đến môi trường lọc

-Khi quá trình lọc hoàn thành, đóng van nhập liệu đầu tiên,sau đó dừng bơm ,ngăn cản dòng quay trở lại hư hỏng môi trường lọc

-Mở van khí vào, làm sạch chất lỏng trong đĩa ,bản lọc sử dụng áp lực của khí hoặc hơi nước,sau đó nới lỏng bộ phận di chuyển được.cách này ta có thể tháo bã lọc ra và làm sạch

và thay thế môi trường lọc

-Quay trở lại những bước như trên để thực hiện quá trình

2.6 Trao đổi ion:

a Mục đích :

+ Mục đích : - Chuẩn bị cho quá trình cô đặc, tách các ion và hấp thụ được những

b Các biến đổi:

- Hóa học : Các anion và cation sẽ khếch tán qua các lỗ xốp và trao đổi ion với chất rắn điện giải

 Trao đổi cation :

+ Ion làm việc là H+ hoặc là Na+ ( nên lựa chọn ion H+ vì có thể tách được cả ion

- Là những chất hữu cơ mang điện tích dương trong dung dịch

HR : Là các loại nhựa polymer tổng hợp không tan có chứa các nhóm sulfonic , carboxylic hay phenolic ( R- là biểu diễn phần anion cố định trong nhựa )

 Trao đổi anion :

+ Ion làm việc là Cl- hoặc OH

Cơ chế :

m RNH3- OH + Am- → ( RNH3 )m – A + mOH-

H+ + OH- → H2O

Trong đó :

Am- : - Là những anion trong dung dịch như là : SO42-, NO3-…

- Là những chất hưu cơ mang điện tích âm trong dung dịch RNH3 – OH hay RNH3 – Cl : là các loại nhựa polimer không tan có chứa nhóm amin và các anion để trao đổi ( RNH3 + là biểu diễn phần cation cố định trong nhựa )

c Thiết bị :

Công nghệ chế biến đường Glucose GVHD:PSG.TS Lê Văn Việt Mẫn

- Hệ thống gồm hai cột trao đổi ion , được làm từ vật liệu polimer

+ 1 cột có khả năng trao đổi anion

+ 1 cột có khả năng trao đổi cation

- Gồm những đường ống để dẫn dòng dung dịch đến cột trao đổi ion , dòng hoàn lưu , hệ thống dung dịch rửa giải và hệ thống để tái sinh ion làm việc trên cột

Ion – exchange system

 Nguyên lý hoạt động :

- Dung dịch sẽ được cho đi qua cột trao đổi anion Tại đây các anion sẽ bị giữ lại trên cột

- Dung dịch tiếp tục đi qua cột trao đổi cation Tại đây các cation sẽ bị giữ lại

Tiến hành rửa giải để tách những ion

- Sau quá trình trao đổi ion phải tiến hành tái sinh ion làm việc trên cột, bằng cách ngâm cột vào những dung dịch thích hợp