NGHIÊN CỨU THU NHẬN POLYDEXTROSE TỪ ĐƯỜNG GLUCOSE VÀ SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM Ở QUI MÔ PILOT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NGHIÊN CỨU THU NHẬN POLYDEXTROSE TỪ ĐƯỜNG GLUCOSE VÀ SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM Ở QUI MÔ PILOT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH ….

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

….W U X…

LÊ THỊ HỒNG CHUYÊN

NGHIÊN CỨU THU NHẬN POLYDEXTROSE TỪ ĐƯỜNG GLUCOSE VÀ SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM Ở

QUI MÔ PILOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 11 / 2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

….W U X…

LÊ THỊ HỒNG CHUYÊN

NGHIÊN CỨU THU NHẬN POLYDEXTROSE TỪ ĐƯỜNG GLUCOSE VÀ SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM

Ở QUI MÔ PILOT

Chuyên ngành: Công nghệ Sinh học

NGHIÊN CỨU THU NHẬN POLYDEXTROSE TỪ ĐƯỜNG GLUCOSE VÀ

SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM Ở QUI MÔ PILOT

Năm 1999-2006: Sau khi tốt nghiệp 1999, tôi làm việc tại Trung tâm nghiên cứu rừng ngập Minh Hải, Tỉnh Cà Mau

Năm 2007- nay tôi làm việc bán thời gian cho Công ty Sinh Học Mai Việt, tp

Hồ Chí Minh

Tháng 09 năm 2006, tôi theo học Cao học ngành Công Nghệ Sinh Học tại trường Đại Học Nông Lâm – tp Hồ Chí Minh

Tình trạng gia đình: Chồng: Võ Thanh Tùng, kết hôn năm 2001, các con: Võ

Lê Hồng Phúc, sinh năm 2002 Võ Lê Hồng Ân, sinh năm 2003

Địa chỉ liên lạc: 120/38/12, đường Thích Quảng Đức, phường 05, Quận Phú Nhuận, tp Hồ Chí Minh

Điện thoại: 08.39954514 – 0939-738017

Email: lethihongchuyen@yahoo.com

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan những công bố trong luận văn này là trung thực và là một phần

trong đề tài cấp Sở Khoa Học Công Nghệ tp Hồ Chí Minh Nghiên cứu thu nhận

Isomalto-oligosaccharide và Polydextrose từ dịch thủy phân tinh bột sắn do Cô tiến

sĩ Hoàng Kim Anh làm chủ nhiệm Những số liệu trong luận văn được phép công

bố với sự đồng ý của chủ nhiệm đề tài hoặc cơ quan giao nhiệm vụ (duyệt đề tài và cấp kinh phí)

Ký tên

Lê Thị Hồng Chuyên

LỜI CẢM ƠN

Chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Nông Lâm Thành phố

Hồ Chí Minh, Ban Chủ Nhiệm Khoa Công Nghệ Sinh Học, Phòng Đào tạo Sau Đại học đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Kính tri ân Quý Thấy Cô đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức kinh, nghiệm quý báu cho tôi trong quá trình học tập cũng như thời gian thực hiện đề tài

Xin chân thành bày tỏ lòng biết Cô tiến sĩ Hoàng Kim Anh đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ kinh phí và cung cấp tài liệu để tôi hoàn thành đề tài

Xin cảm ơn chồng của tôi là anh Võ thanh Tùng, mẹ và các con của tôi đã khuyến khích động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Cảm ơn các bạn sinh viên Khanh, Nhi (sinh viên khoa Thực Phẩm - trường Đại học Công nghệ Sài gòn), Giang, Cường (sinh viên khoa công nghệ Sinh Học – trường Đại học Công nghiệp) đã cùng thực hiện đề tài

Chân thành cảm ơn các anh chị công tác tại Viện Sinh Học Nhiệt Đới đã giúp đỡ, hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và học tập tại Viện

TÓM TẮT

Đề tài: “Nghiên cứu thu nhận polydextrose từ đường glucose và sản xuất thử nghiệm ở qui mô pilot” được thực hiện tại Viện Sinh học Nhiệt đới thời gian từ tháng 11/2009 đến 08/2010 đã thu được các kết quả chính sau:

- Polydextrose được thu nhận từ quá trình trùng hợp glucose với chất xúc tác

là acid citric, trong điều kiện môi trường chân không nhiệt độ cao, điều kiện tối ưu

để thu polydextrose là nhiệt độ 1850C, nồng độ acid citric là 1 %, thời gian phản ứng là 35 phút, tỷ lệ polydextrose thu được sau phản ứng là 93,63 %

- Tinh sạch polydextrose thô bằng sắc ký trao đổi ion là phương pháp hiệu quả, sử dụng hạt nhựa hỗn hợp Mixbed SMHP – 210 làm chất trao đổi ở các điều kiện: nồng độ dung dịch trước khi tinh sạch là 50 %, nhiệt độ 600C, tốc độ dòng chảy 6 ml/phút, khối lượng hạt nhựa tham gia tinh sạch 8 %

- Sản xuất thử nghiệm polydextrose ở quy mô pilot 3 kg / mẻ với kết quả tốt Hoàn thiện sản phẩm bằng máy sấy phun công nghiệp ở xưởng sản xuất thực nghiệm pilot, với nồng độ chất khô polydextrose 50 %, công suất 2 kg sản phẩm bột / giờ, tỷ lệ polydextrose trong sản phẩm sau khi tinh sạch và sấy phun > 95 % Sản phẩm có màu trắng ngà, dạng bột mịn khô

- Sản phẩm đạt các chỉ tiêu chất lượng về mặt cảm quan, hóa lý và vi sinh, kim loại nặng và các tiêu chuẩn phụ gia thực phẩm của JECFA Sản phẩm polydextrose với chỉ số đường huyết thấp GI < 25 % so với glucose, mức năng

lượng 1 Kcal/g, trên 98 % không tiêu hóa trong điều kiện in vitro

SUMMARY The thesis: "Collection polydextrose from glucose and production in pilot scale experiment" is done at the Institute of Tropical Biology from November, 2009

to August, 2010, have obtained the following results:

- Polydextrose can be prepared through vacuum thermal polymerization of glucose and an approved acid citric as catalyst The optimum conditions is made polydextrose at a temperature of 185ºC, 1 % of citric acid, 35 minutes of time reaction The rate of crude polydextrose after reaction is 93.63 %

- Crude polydextrose purified by ion exchange chromatography is an effective method, using ion exchange resin, mixture Mixbed SMHP - 210 as an exchange The solution concentration before purification is 50 %, temperature 60°C, flow rate 6 ml / min, the volume of mixbed resin purified by 8 % participation

- The pilot study, polydextrose product in the pilot scale is 3 kgs / batch in good results Finishing products in industrial spray dryer of the Institute of Tropical Biology with dry matter concentration in the solution of polydextrose is 50 %, 2 kgs

of flour polydextrose yield per hour, the volume of polydextrose in the products after purification and spray drying under 95 % The product has ivory colour, dry powder form

- Polydextrose products meet the quality criteria in terms of sensory, chemical and physical, microbiological, heavy metal and the standards of JECFA food additive Polydextrose product has a low glycemic index (GI) value over 25 % compared with glucose, the caloric value is 1 Kcal / g, over 98 % of polydextrose

are not digested in the in vitro condition

MỤC LỤC

CHƯƠNG TRANG

Trang tựa Trang Chuẩn Y i

LỊCH CÁ NHÂN ii

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii

DANH SÁCH CÁC HÌNH xv

Chương 1 1

Mở Đầu 1

Chương 2 3

Tổng Quan 3

2.1 Giới thiệu chung về Polydextrose (PD) 3

2.2 Cấu trúc, tính chất vậy lý và hóa học của PD 4

2.2.1 Cấu trúc của PD 4

2.2.2 Tính chất vật lý và hoá học của PD 6

2.2.2.1 Tính chất bảo quản 7

2.2.2.2 Tính giữ ẩm 7

2.2.2.3 Tính ổn định 7

2.2.2.4 Bản chất vật lý của PD - Nhiệt độ chuyển pha 8

2.2.2.5 Tính chịu nhiệt 8

2.2.3 Các tính chất chức năng của PD 9

2.2.3.1 Tính chất của chất xơ thực phẩm 9

2.2.3.2 Tính chất của prebiotic 12

2.2.3.3 Những công dụng của PD khi sử dụng 15

2.3 Ứng dụng PD trong công nghệ thực phẩm 16

2.4 Các nguyên liệu chính sản xuất PD 19

2.4.1 Đường glucose 19

2.4.2 Acid citric 21

2.4 3 Isopropanol 22

2.5 Phương pháp sản xuất PD 23

2.5.1 Các thiết bị thực hiện phản ứng trùng hợp thu PD 25

2.5.2 Các phương pháp thu nhận và xác định hàm lượng PD 26

2.5.2 1 Sử dụng các alcohol để thu nhận PD 26

2.5.2.2 Sử dụng sắc ký lỏng cao áp (HPLC) xác định hàm lượng PD 26

2.5.3 Một số phương pháp tinh sạch PD 27

2.5.3 Phương pháp hoàn thiện sản phẩm 34

2.6 Tình hình sử dụng PD trên thế giới và Việt Nam 34

2.6.1 Trên thế giới 34

2.6.2 Ở Việt Nam 37

Chương 3 38

Nội Dung và Phương Pháp Nghiên Cứu 38

3.1 Thời gian và địa điểm 38

3.2 Nội dung 38

3.3 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị 38

3.4 Phương pháp nghiên cứu 39

3.4.1 Nghiên cứu thu nhận PD từ glucose 39

3.4.1.1 Phương pháp chuyển hóa đường glucose thành PD 39

3.4.1.2 Phương pháp xác định hàm lượng PD 40

3.4.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình chuyển hóa glucose thành PD 41

3.4.1.4 Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình thu nhận PD 42

3.4.2 Nghiên cứu tinh sạch PD 43

3.4.2.1 Phương pháp tinh sạch PD bằng thanh hoạt tính 44

3.4.2.2 Phương pháp tinh sạch bằng cồn thực phẩm 45

3.4.2.3 Phương pháp tinh sạch PD bằng Sodium Borohydride (NaBH4) 45

3.4.2.4 Phương pháp tinh sạch PD bằng phương pháp sắc ký trao đổi ion 46

3.4.3 Nghiên cứu sản xuất PD ở qui mô thực nghiệm pilot (kg/mẻ sản phẩm) 47

3.4.4 Xác định các tính chất và xây dựng tiêu chuẩn chất lượng cho sản phẩm PD 48

3.4.4.1 Xác định các chỉ tiêu hóa lý của sản phẩm 48

3.4.4.2 Phân tích các chỉ tiêu vi sinh và kim loại nặng 49

3.4.4.3 Phương pháp xác định các tính chất chức năng của PD 50

3.4.4.4 Phương pháp kiểm tra sự thay đổi tính chất của sản phẩm trong thời gian bảo quản 51

Chương 4 Error! Bookmark not defined Kết Quả và Thảo Luận 53

4.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình chuyển hóa glucose thành PD 53

4.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 53

4.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ acid citric 55

4.1.3 Ảnh hưởng của thời gian 56

4.1.4 Ảnh hưởng của sorbitol 57

4.2 Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình thu nhận PD 59

4.3 Kết quả tinh sạch PD 64

4.3.1 Kết quả tinh sạch PD bằng than hoạt tính 65

4.3.2 Kết quả tinh sạch PD bằng cồn thực phẩm 66

4.3.3 Kết quả tinh sạch PD bằng sodium borohydrite (NaBH4) 67

4.3.4 Kết quả tinh sạch PD bằng phương pháp sắc ký trao đổi ion 68

4.3.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 68

4.3.4.2 Kết quả ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy đến khả năng tinh sạch của hạt nhựa trao đổi ion 70

4.3.4.3 Ảnh hưởng của hàm lượng chất khô đến khả năng tinh sạch của hạt nhựa trao đổi ion 71

4.3.4.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ hạt nhựa so với lượng dung dịch PD đến quá trình tinh sạch 73

4.4 Kết quả sản xuất PD ở qui mô thực nghiệm pilot (kg/mẻ sản phẩm) 75

4.4.1 Ảnh hưởng của lượng mẫu tham gia phản ứng tới quá trình sản xuất PD 76

4.4.2 Ảnh hưởng thời gian tham gia phản ứng tới quá trình sản xuất PD 77

4.5 Kết quả xác định các tính chất của sản phẩm PD 80

4.5.1 Chỉ tiêu cảm quan, hóa lý, vi sinh và kim loại nặng 80

4.5.2 Kết quả xác định tính chất chức năng của PD 82

4.5.2.1 Kết quả xác định độ tiêu hóa trong điều kiện in vitro 82

4.5.2.2 Kết quả xác định khả năng sinh đường huyết của PD 83

4.5.2.3 Kết quả xác định giá trị năng lượng (calori/g) của PD 87

4.5.2.4 Kết quả kiểm tra sự thay đổi tính chất của sản phẩm trong thời gian bảo quản 87

Chương 5 89

Kết luận và đề nghị 89

1 Kết luận 89

2 Đề nghị 90

Phụ lục 1 95

Xây Dựng Phương Pháp Đánh Giá Cảm Quan Dung Dịch Polydextrose 96

Phụ Lục 2 99

Phương Pháp Xác Định Hàm Lượng 5-hydroxymethylfurfural (HMF) Bằng Máy Quang Phổ UV VIS 99

Phụ lục 3 101

Phương Pháp Xác Định Hàm Lượng 1,6-anhydro-D-glucose, Glucose Bằng Máy Sắc Ký Lỏng Hiệu Năng Cao (HPLC) 101

Phụ Lục 4 103

Xác Định Độ Tiêu Hóa Trong Điều Kiện invitro 103

Phụ lục 5 107

Xác Định Chỉ Số Đường Huyết (GI) 107

Phụ lục 6 110

Phương Pháp Xác Định Giá Trị Calori của Polydextrose Bằng Thiết Bị Đo Nhiệt Trị 110

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

ADA: American diabetes association - Hiệp hội đái tháo đường của Mỹ

ADI: Acceptable daily intake - Lượng thực phẩm ăn vào hàng ngày, chấp nhận được ACF: Aberrant crypt foci - Chất gây bệnh ung thư ruột kết

AUC: Area under the curve - Phương pháp tính diện tích dưới đường cong

DP: Degree of Polymerisation - Mức độ polymer hóa

ECD: Electro chemical ditector - Đầu dò điện hóa

EU: Europe Union - Liên minh các nước Châu Âu

FDA: The Food and Drug Administration - Cục quản lý dược và thực phẩm của Mỹ FCC: Food chemical codex - Ủy ban hóa thực phẩm

FSC: Bộ luật tiêu chuẩn về thực phẩm của Autralia New Zealand

FAO: Food and Agriculture Organization - Tổ chức lương nông của liên hợp quốc FOSHU: Foods for Specific Health Use - Thực phẩm đặc trị dùng để bảo vệ sức khỏe của người Nhật

GI: Glycemic Index - Chỉ số đường huyết

HPLC: High Performance Liquid Chromatography - Sắc ký lỏng hiệu năng cao HMF: 5-hydroxylmethylfurfural – Chất gây chất vị đắng

IgA: Immunoglobulin A - Kháng thể A

IgM: Immunoglobulin M - Kháng thể M

Ig G: Immunoglobulin G - Kháng thể G

IPA: Cồn isopropanol

RDS: Rapidly Digestible Starch - Tinh bột tiêu hóa nhanh

PD: Polydextrose – Chất xơ hòa tan

RS: Resistant Starch - Tinh bột trơ

SCFA: Short-chain Fatty Acid - Chuỗi acid béo mạch ngắn

SDS: Slowly Digestible Starch - Tinh bột tiêu hóa chậm

JECFA: The Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives - Ủy ban Hỗn hợp các Chuyên gia của FAO/WHO về Phụ gia Thực phẩm để đánh giá tính an toàn của các phụ gia thực phẩm

WHO:World Health Organization - Tổ chức y tế thế giới

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG TRANG

Bảng 2.1 : Minh họa khoảng trọng lượng phân tử của PD 5

Bảng 2.2: Tính chất hóa lý của PD (Helen, 1996) 6

Bảng 2.3: So sánh tính chất chức năng của đường Succrose và PD 7

Bảng 2.4: Vai trò của chất xơ thực phẩm trong việc ngăn ngừa và quản lý tình trạng bệnh tật và điều kiện chuyển hoá (Susan và cộng sự 1999) 10

Bảng 2.5: Bảng thể hiện độ ngọt của một số đường 21

Bảng 3.1: Ma trận quy hoạch thực nghiệm cấp hai, 3 yếu tố trong quá trình trùng hợp tạo PD 43

Bảng 3.2: Các phương pháp phân tích chỉ tiêu vi sinh và kim loại nặng 50

Bảng 4.1: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên năng suất trùng hợp glucose tạo thành PD 54

Bảng 4.2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acid citric tới năng suất trùng hợp glucose tạo thành PD 55

Bảng 4.3: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên năng suất trùng hợp glucose tạo thành PD 57

Bảng 4.4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của sorbitol lên năng suất trùng hợp glucose tạo thành PD 58

Bảng 4.5: Bảng kết quả tối ưu hoá của từng yếu tố ảnh hưởng lên quá trình trùng hợp 59

Bảng 4.6: Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố 59

Bảng 4.7: Thông số và kết quả các thí nghiệm tối ưu hoá thực nghiệm 60

Bảng 4.8: Kết quả tính toán các hệ số hồi qui 60

Bảng 4.9: Thông số các chất có trong sản phẩm trùng hợp thô 64

Bảng 4.10: Kết quả tinh sạch PD bằng than hoạt tính 65

Bảng 4.11: Kết quả tinh sạch PD bằng cồn thực phẩm 66

Bảng 4.12: Kết quả tinh sạch PD bằng NaBH4 67

Bảng 4.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tinh khiết của sản phẩm PD (%) sau khi

chảy qua cột sắc ký 69

Bảng 4.14: Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy đến khả năng tinh sạch của hạt nhựa trao đổi ion 71

Bảng 4.15: Ảnh hưởng của hàm lượng chất khô trong dung dịch PD đến khả năng tinh sạch của hạt nhựa 72

Bảng 4.16: Ảnh hưởng của lượng hạt nhựa sử dụng tới quá trình tinh sạch 73

Bảng 4.17: Kết quả đánh giá khả năng tinh sạch của hạt nhựa 74

Bảng 4.18: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng mẫu đến hiệu quả trùng hợp PD 76

Bảng 4.19: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng mẫu đến hiệu quả trùng hợp PD 77

Bảng 4.20: Chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm PD dạng bột 81

Bảng 4.21: Tiêu chí chẩn đoán đái tháo đường và rối loạn dung nạp glucose 83

Bảng 4.22: Thể hiện chỉ số đường huyết khi dung nạp glucose 84

Bảng 4.23: Thể hiện chỉ số đường huyết khi dung nạp Polydextrose 85

Bảng 4.24: Kết quả xác định chỉ số GI của sản phẩm PD 86

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 2.1: Minh họa cấu trúc hoá học của Polydextrose 4

Hình 2.2: Hình minh họa cấu trúc hóa học của Glucose 20

Hình 2.3: Minh họa cấu trúc hóa học của acid citric 22

Hình 2.4: Cấu trúc hóa học của Isopropanol 23

Hình 2.5: Minh họa nhu cầu sử dụng các loại chất xơ/prebiotic trên thế giới 35

Hình 2.6: Sản phẩm thương mại có 100% Polydextrose 37

Hình 2.7: Sản phẩm thương mại có thành phần là Polydextrose 37

Hình 4.1: Hình bề mặt đáp ứng theo nhiệt độ và acid citric 62

Hình 4.2: Hình bề mặt đáp ứng theo thời gian và acid citric 62

Hình 4.3: Hình kết quả tinh sạch dung dịch PD theo hàm lượng than 65

Hình 4.4: Hạt nhựa hỗn hợp trước khi tinh sach 70

Hình 4.5: Hạt nhựa hỗn hợp sau khi tinh sach 70

Hình 4.6: Màu sắc của dung dịch PD sau quá trình tinh sạch bằng sắc ký trao đổi ion ở những nhiệt độ khác nhau 70

Hình 4.7: Hình thiết bị trùng hợp và mẫu PD thô thu được sau phản ứng trùng hợp glucose 78 Hình 4.8: Một số hình ảnh của quá trình sản xuất PD ở quy mô pilot 3kg/mẻ 80

Hình 4.9: Hàm lượng PD trong mẫu sau khi tinh sạch được đo bằng HPLC 80

Hình 4.10: Thao tác lấy máu và đo đường huyết trên người tình nguyện 83

Hình 4.11: Lượng đường máu tạo ra theo thời gian sau khi sử dụng glucose và PD ở trường hợp thử nghiệm thứ 14 87

Chương 1

MỞ ĐẦU

Polydextrose (PD) là chất tạo khối, cung cấp năng lượng thấp, được sử dụng

để thay thế một phần hay toàn bộ đường, chất béo trong chế biến thực phẩm PD còn là phụ gia thực phẩm đa chức năng có thể sử dụng như là một chất phụ gia giữ

độ ẩm, tạo kết cấu sản phẩm (tạo hình), tạo độ đặc, tính ổn định, bảo quản sản phẩm dưới điều kiện nhiệt độ thấp (Helen, 1996) Những tính năng công nghệ này cho phép sử dụng PD trong nhiều loại thực phẩm như những sản phẩm bánh nướng, thức ăn rán, đồ uống, kẹo, mứt và những thức ăn tráng miệng đông lạnh được làm

từ sữa Việc tìm ra và hiểu biết về PD có những đóng góp quan trọng trong ngành chế biến thực phẩm là bước đầu cho hướng phát triển mới cải thiện thành phần và chức năng của các sản phẩm thực phẩm

PD là chất xơ thực phẩm, sử dụng PD vào trong chế biến thực phẩm sẽ giúp người tiêu dùng tăng khẩu phần ăn là chất xơ đến hàm lượng cần thiết mà những chuyên gia sức khoẻ đã đề nghị (14 g chất xơ/1000 Kcal – Joanne, 2006) Sử dụng

PD còn làm giảm hấp thu calori ở ruột, do vậy PD có tác dụng điều chỉnh cân nặng

và giảm tổng lượng glycemic tác động lên khẩu phần ăn, có lợi cho người bị bệnh tim mạch và bệnh tiểu đường

PD còn là một prebiotic, có tác dụng kích thích, duy trì sự phát triển của các

vi khuẩn có lợi trong ruột như Bifidobacterium bifidum, Lactobacillus acidophilus,

các nhóm này sản xuất ra các hợp chất hữu cơ như butyrat, probionat, acid lactic, acid axetic… làm biến đổi sự cân bằng của hệ vi sinh vật ở ruột một cách thuận lợi,

ức chế sự phát triển của những vi sinh vật có hại như loài Bacteroides (B fragilis,

B vulgatus, and B intermedius) Tiêu thụ thức ăn có thành phần PD sẽ thúc đẩy

việc tiêu hóa, tăng cường hệ miễn dịch do nhóm vi khuẩn có lợi sử dụng PD và sản xuất kháng thể IgA, IgM, IgG, ngăn ngừa và ức chế các tế bào ung thư (Julian, 2009), giảm lipid và cholesterol trong máu, giảm chỉ số đường huyết GI (Glycemic Index)…

Ở nước ta hiện nay, cây sắn đã trở thành loại cây công nghiệp cung cấp nguyên liệu cho các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm (sản xuất bánh, kẹo, glucose, xi-rô maltose, dextrin, bột ngọt, mì sợi, miến…), ngành chế biến thức ăn chăn nuôi, sản xuất hoá chất (cồn, acid oxalic, keo dính, acid citric…), trong ngành công nghiệp dệt, trong ngành dược… Sản lượng tinh bột sắn xuất khẩu ngày càng tăng, được thị trường tiêu thụ quốc tế chấp nhận Tuy nhiên, sản phẩm xuất khẩu từ sắn chỉ dừng lại ở mức nguyên liệu là tinh bột sắn và sắn lát sấy khô (sản phẩm từ

củ sắn tươi) (Hoàng Kim Anh, 2004) Do vậy để tăng thu nhập và lợi thế cạnh tranh các mặt hàng xuất khẩu từ sắn phải đa dạng hoá các sản phẩm từ tinh bột sắn Polydextrose cũng là một trong những mặt hàng giá trị gia tăng có giá trị kinh tế cao được sản xuất từ glucose (là sản phẩm thủy phân từ tinh bột sắn)

Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên chúng tôi tiến đề tài: “Nghiên cứu thu nhận polydextrose từ đường glucose và sản xuất thử nghiệm ở qui mô pilot”

Mục tiêu nghiên cứu:

- Tạo ra polydextrose từ đường glucose (là sản phẩm thủy phân từ tinh bột sắn) và bước đầu sản xuất thử nghiệm ở qui mô thực nghiệm nhằm đưa ra sản phẩm thực phẩm chức năng polydextrose với những tính năng ưu việt phục vụ nhu cầu tiêu dùng của xã hội

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu chung về polydextrose (PD)

Polydextrose (PD) được Hans Rennhard (Mỹ) tìm ra từ những năm 1970 Lần đầu tiên PD được sản xuất ra bằng cách trùng hợp hỗn hợp dextrose 89%, sorbitol 10% và acid citric 1% ở điều kiện chân không, nhiệt độ cao nên có tên là

“Polydextrose” (Borden và ctv, 1994)

PD là những thành phần thức ăn đa năng, được sử dụng để cải thiện về phương diện dinh dưỡng nhiều loại thực phẩm do có giá trị chuyển hoá năng lượng trong tiêu hoá thấp (1 Kcal/g) (Helen, 2006) Năm 1981 Cục Quản Lý Thực Phẩm

và Dược của Mỹ (FDA) đã cho phép sử dụng PD trong chế biến thực phẩm ăn kiêng cho con người như là chất cung cấp ít năng lượng Hiện nay, PD đang được hãng Danisco sản xuất với tên thương mại là Listesse®, Listese®II, Listeria® Ultra™

PD cũng đã được công nhận là phụ gia thực phẩm ở hơn 50 quốc gia và được sử dụng trên toàn thế giới (Helen và ctv, 2001) Ở Nhật, PD được coi như là nguồn thực phẩm chính và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thức uống bổ dưỡng tăng cường chất xơ Theo tính chất và trạng thái PD được chia làm 3 loại:

- Polydextrose A được tạo thành từ quá trình trùng hợp các monosaccharic, ở dạng bột vô định hình, có vị hơi chua, dễ nóng chảy, chất lượng kém

- Polydextrose K có dạng bột trung tính (pH 5 - 6), được hình thành từ PD A bằng cách cải thiện vị chua do acid citric khi trung hoà bằng potassium bicarbonate

- Polydextrose N ở dạng dung dịch siro nồng độ 70% của polydextrose K có màu nhạt, trung tính có pH 5 - 6

2.2 Cấu trúc, tính chất vậy lý và hóa học của PD

2.2.1 Cấu trúc của PD

PD là một carbohydrate phức tạp, được tổng hợp bằng kỹ thuật đa trùng ngưng

từ đường glucose hay maltose, hay các đường đơn khác, và có hay không có sự tham gia của các polyols (sorbitol, xylitol, manitol….), đường rượu này đóng vai trò như là chất tạo độ bền cho chuỗi PD cùng với sự tham gia một phần nhỏ acid (theo tỷ lệ 89 :

10 : 1) hoặc chỉ sử dụng glucose và acid (tỷ lệ 99 : 1) Acid được dùng như là một chất xúc tác, tác nhân tạo các liên kết trong phân tử, hoạt hoá phản ứng trùng ngưng Các acid này phải có tính chất không dễ bay hơi, cho phép sử dụng trong thực phẩm, là những acid polycaboxylic hữu cơ như: acid citric, acid fumaric, acid tartaric, acid succinic, acid adipic, acid itaconic, acid terephthalic (Richard, 1998)

- Công thức phân tử của PD: (C6H10O5)n

- Số hiệu quốc tế E:1200

- Cấu trúc hoá học của phân tử PD

R = Hydrogen/Polydextrose/Glucose/Sorbitol/Acid citric Hình 2.1: Minh họa cấu trúc hoá học của Polydextrose

(nguồn: http://www.medicinescomplete png)

PD là một chuỗi polymer phân nhánh phức tạp (cả ở dạng liên kết α, β và chiếm ưu thế là những liên kết 1 - 6, còn lại là một ít liên kết 1 - 4, 1 - 3, 1 - 2, 1 - 1) tạo nên cấu trúc chặt chẽ, phức tạp PD có độ phân nhánh cao hơn những carbohydrate khác, giúp ngăn ngừa sự thuỷ phân bởi những enzyme tiêu hóa ở động vật có vú làm giảm giá trị năng lượng Kcal (Susan và ctv, 1999) Theo nghiên cứu

gần đây của Công ty Danisco đã chứng minh những liên kết trong phân tử PD là những liên kết glucoside (Julian, 2009)

Trọng lượng phân tử của DP được tính toán dựa vào ba kỹ thuật phân tích khác nhau (Susan và ctv, 1999)

- PD được phân tích bằng sắc ký lỏng cao áp (High performance liquid chromatography - HPLC) trên cột Synchropak GPC 100, đã được hiệu chỉnh với những dextran chuẩn Phân tử PD có chuỗi polymer trung bình được xác định là 11,6 ± 0,5

- PD được phân tích sắc ký bằng HPLC trên 3 cột Shodex OHpak ( 802,5,

804, 806) Phân tử PD được phân tích bằng kỹ thuật phân tán ánh sáng laser nhiều góc độ cho giá trị chuỗi polymer là 12,3 ± 0,6 (Susan và ctv, 1999 trích dẫn dữ liệu của Wyatt Technology Corp)

- PD được phân tích sắc ký bởi HPLC trên cột TSK PW 2000A Phân tử PD được xác định bằng phương pháp đo độ nhớt / phân tán ánh sáng cho giá trị chuỗi polymer là 14,2 (Susan và ctv, 1999 trích dẫn dữ liệu của Viscotek Corp )

Bảng 2.1 : Minh họa khoảng trọng lượng phân tử của PD

Phân tử PD được trùng hợp trung bình có khoảng 12 - 15 đơn vị đường glucose, trọng lượng phân tử trung bình khoảng 2000 dalton và dao động trong khoảng từ 162 - 18000 dalton, trong đó sản phẩm PD còn có chứa một lượng nhỏ monomer không phản ứng (glucose và polyol) Những phân tử PD có trọng lượng

Khoảng trọng lượng phân tử

Tỉ lệ (%) 162-5000 (dalton)

5000-10000 (dalton) 10000-16000 (dalton) 16000-18000 (dalton)

88,7 10,0 1,2 0,1

phân tử lớn (16000 - 18000 dalton) khó hòa tan trong nước do vậy sẽ hạn chế những ứng dụng PD vào trong một số sản phẩm thực phẩm Do vậy trong suốt quá trình phản ứng tạo PD, kích thước của chuỗi polymer cần phải được kiểm soát để tránh hình thành nên những phân tử PD có kích thước lớn (Hellen, 1996, trích dẫn từ Allingham, 1982; Beerebom, 1981)

2.2.2 Tính chất vật lý và hoá học của PD

Tính chất vật lý hóa học của PD theo tiêu chuẩn của Ủy Ban Hỗn Hợp về Phụ Gia Thực Phẩm (JECFA) và Ủy Ban Hóa Thực Phẩm (Food Chemical Codex) được thể hiện qua bảng 2.2 (Susan và ctv, 1999)

Bảng 2.2: Tính chất hóa lý của PD

PD cũng có những tính năng giống như đường succrose (được thể hiện ở bảng 2.3), đặc biệt là khi ở dạng dung dịch PD có độ nhớt cao hơn dung dịch đường sucrose ở cùng nồng độ, nhiệt độ Đặc tính này của PD tạo cảm giác ngon miệng và

Citric acid (tự do)

Khả năng hoà tan (ở 25ºC)

2.2.2.1 Tính chất bảo quản

PD khi sử dụng ở nồng độ cao nó mang tính chất bảo quản, ở nồng độ này nó

sẽ làm giảm hoạt độ nước có trong sản phẩm, do vậy mà PD ức chế hoạt động của nấm mốc, nấm men, vi sinh vật gây bệnh, kéo dài thời hạn sử dụng sản phẩm Đây

là một tính chất có lợi của PD được dùng để thay thế những thành phần cung cấp nhiều năng lượng (đường, chất béo…) trong các công thức chế biến thực phẩm mà vẫn duy trì được thời hạn sử dụng sản phẩm

Bảng 2.3: So sánh tính chất chức năng của đường succrose và PD (Hellen, 1996)

2.2.2.2 Tính giữ ẩm

Giữ ẩm là một trong những đặc điểm quan trọng nhất trong phát triển các sản phẩm thực phẩm vì nó ảnh hưởng đến độ đặc, hương vị, thời hạn sử dụng, khả năng chấp nhận của người tiêu dùng và tính an toàn của thực phẩm PD đóng vai trò như chất giữ ẩm, tạo độ giòn sản phẩm trong chế biến thực phẩm Điều này có vẻ trái ngược, nhưng khía cạnh đa chức năng này của PD đã được chứng minh bằng các ứng dụng thực tế (Hellen, 1996)

2.2.2.4 Tính chất vật lý của PD - Nhiệt độ chuyển pha

Bột PD ở dạng vô định hình với nhiệt độ chuyển tiếp pha ở dạng khan là

110oC, nhiệt độ này cao hơn nhiều so với các carbohydrates khác và là một phần chức năng phân tử Đốt nóng trên nhiệt độ chuyển pha dẫn đến sự tan chảy, sau đó làm lạnh sẽ hình thành lớp dung dịch dạng thủy tinh trong suốt có kết cấu dễ vỡ Nhiệt độ chuyển hóa cao của PD có thể giúp ích trong việc tăng nhiệt độ chuyển pha của hỗn hợp của thức ăn và giảm tiêu hao năng lượng trong quá trình bảo quản sản phẩm

PD còn có thể bảo vệ cấu trúc của các sản phẩm thực phẩm sau khi được đông lạnh và làm tan giá Các sản phẩm được cất giữ trong tủ đông có thể trải qua những thay đổi có hại trong kết cấu (ví dụ như đông thành đá, kết tinh, hòa tan, thoái hóa tinh bột ), trong cấu trúc (như trương nở hay co lại), trong thành phần hóa học (như sự oxy hóa, chất tạo hương, vị, mất màu) PD ngăn cản quá trình tái kết tinh đường hoặc polyol, hoặc quá trình thoái hóa tinh bột (Julian, 2009)

2.2.2.5 Tính chịu nhiệt

PD có tính chịu nhiệt cao, người ta đo sự thay đổi về trọng lượng của dung dịch PD 70% w/ w trên một dãy nhiệt độ từ 20 – 460oC và có thể được phát hiện trên dãy nhiệt độ từ 20 - 160oC, độ ẩm bị mất đi khoảng 35%, sau đó độ ẩm có thể bị giảm thêm 5% khi tiếp tục tăng nhiệt độ lên tới 260oC, tại thời điểm này những thay đổi toàn bộ bắt đầu diễn ra Những diễn biến tương tự cũng được nhận thấy khi bột PD được đốt nóng trên cùng dãy nhiệt độ, PD vẫn duy trì tính bền xấp xỉ nhiệt độ 300oC

Ở những điều kiện nhiệt độ này thì vượt xa so với những nhiệt độ được tìm thấy trong quá trình phân huỷ thức ăn thông thường Những liên kết 1,6 glycosidic chiếm ưu thế trong PD thì bền hơn từ 2 đến 4 lần so với những liên kết α - 1,2, α - 1,3 hay α - 1,4 khi thuỷ phân (Julian, 2009)

2.2.3 Các tính chất chức năng của PD

2.2.3.1 Tính chất của chất xơ thực phẩm

● Khái niệm chất xơ thực phẩm

Theo từ điển y khoa Medilexicon, chất xơ thực phẩm là thành phần trong thức ăn mà không được tiêu hóa bởi men dạ dày ruột Chất xơ thực phẩm được xem

là thức ăn thô, phần không tiêu hóa được của thực phẩm Hiện nay các chất như PD, oligosaccharide, beta-glucan, pectin, sáp, cutin, glycoprotein cũng được xếp vào loại chất xơ thực phẩm

Chất xơ thực phẩm được chia thành hai loại:

- Loại không tan trong nước gồm cellulose và hemicellulose có nhiều trong các loại rau xanh, trái cây, măng

- Loại hòa tan gồm pectin, pentozan và chất nhầy, có nhiều trong vỏ cám của hạt gạo, hạt đại mạch, ngô, hạt lạc, các loại đậu, cùi trắng của quả bưởi, cam, vỏ táo,

vỏ nho

● Vai trò của chất xơ thực phẩm

Trước kia, người ta xem chất xơ thực phẩm là một chất trơ không có giá trị dinh dưỡng vì không tiêu hoá được Nhưng ngày nay các chuyên gia đã chú ý đến vai trò của nó nhiều hơn trong khẩu phần ăn của con người Dần dần chất xơ được xem như là thành phần của thực phẩm (hay còn gọi là chất xơ thực phẩm) có vai trò tăng cường sức khỏe lâu bền cho mọi người

Những tác dụng đáng kể của chất xơ trong việc phòng và chữa bệnh, ngoài một vài tác dụng đã biết đến từ rất lâu như cải thiện tình trạng táo bón Tác dụng phòng và điều trị của chất xơ chủ yếu lại tập trung vào các chứng bệnh mạn tính gắn với tuổi già như ngăn ngừa ung thư, béo phì, tiểu đường, điều trị sỏi mật và giảm mỡ máu, làm giảm lượng cholesterol đặc biệt cholesterol xấu (là các lipoprotein tích tụ trong mạch máu làm mạch nhỏ lại làm cho máu khó lưu thông)….(Hà Huy Khôi và

ctv, 2004) Vai trò của chất xơ thực phẩm trong phòng ngừa bệnh và cải thiện tình

trạng bệnh được thể hiện qua bảng 2.4

Bảng 2.4 : Vai trò của chất xơ thực phẩm trong việc ngăn ngừa và quản lý tình

trạng bệnh tật và điều kiện chuyển hoá (Susan và ctv 1999)

Tính chất

lý hoá

(ký hiệu: ↑: tăng lên, ↓: giảm xuống)

Sự hấp thụ Lignin, pectin

 bài tiết steroid, chất béo và nitrogen

Hypercholesterol , kháng lại các chất gây ung thư

Trao đổi

cation

Acidic polysaccharide:

pectin

 suy giảm chất khoáng trong ruột non

Cân bằng chất khoáng xấu, giải độc hiệu quả

Chất chống

oxy hoá Lignin

L gốc tự do trong bộ máy tiêu hoá

Kháng lại các chất gây ung thư

Giảm vi

khuẩn đường

ruột

Polysaccharide acid

 sản sản xuất acid béo mạch ngắn, sinh hơi

L pH manh tràng

Sinh hơi, sản sinh năng lượng

Chuyển hoá carbohydrate lipid

● PD là chất xơ thực phẩm

PD được FDA công nhận là chất xơ thực phẩm (dietary fiber) Tổ chức

lương nông của liên hợp quốc (FAO) và Tổ chức y tế thế giới (WHO) đều công

nhận PD là thực phẩm an toàn và cho phép bổ sung vào chế độ ăn, uống hàng ngày

Do vậy PD có những tính năng và công dụng tương tự như chất xơ thực phẩm đã

được đề cập ở phần trên (Susan và ctv, 1999) Bên cạnh đó, PD còn có khả năng

hoà tan rất tốt trong nước (80% w/w) trong khi hầu hết những chất xơ chứa trong thực phẩm giàu chất xơ thông thường thì không tan tốt, vì thế mà PD có nhiều chức năng chăm sóc sức khỏe mà những chất xơ không tan bình thường khác không có Các nghiên cứu lâm sàng cũng đã khẳng định vai trò quan trọng của PD là:

♦ Điều hoà chức năng đường ruột - chống táo bón

Các thay đổi tính chất chức năng dạ dày - ruột non hầu hết liên quan đến các chất xơ không tan Tuy nhiên nghiên cứu của Oku và ctv, (1991) đã tìm thấy rằng PD đóng vai trò cải thiện chức năng ruột, khi dùng PD làm thức ăn cho chuột ở liều lượng 3% thì độ ẩm, trọng lượng và lượng phân do chuột thải ra tăng lên, giảm thời gian chất bài thải lưu trong đường ruột Theo nghiên cứu của Nakagawa và ctv (1990), việc tiêu thụ PD sẽ làm tăng trọng lượng và là tác nhân làm mềm phân Theo nghiên cứu của Wang và Gibson (1993), so sánh mức độ tăng trưởng của hệ vi khuẩn ở ruột kết khi chúng lên men ở môi trường có PD và môi trường có bổ xung nguồn cacbohydrate khác (pectin, tinh bột, inulin, oligofructose, và fructose) thì nhận thấy rằng, sau 12 giờ mức độ tăng trưởng của hệ vi sinh vật ở các loại môi trường là như nhau Đây là bằng chứng rất quan trọng, thể hiện vai trò của chất xơ nói chung của PD là chất tạo khối chủ yếu trong chất thải, nó chiếm khoảng 55% so với lượng chất thải khô hay 77 % so với lượng chất thải ướt, do đó nó kích thích nhu động ruột non, ruột già co bóp mạnh làm tăng sự bài tiết và chống táo bón một cách hiệu quả

Do cấu trúc đặc trưng của sản phẩm PD là các liên kết α- (1,6) – glucoside và β- (1,6) – glucoside, nên chúng không hay chậm bị thuỷ phân bởi hệ enzyme đường ruột nên PD di chuyển một phần hoặc nguyên vẹn đến ruột kết, bên cạnh đó chúng còn có thể kết hợp với cacbohydrate biến tính và chất béo chuyển hoá, đồng thời kết hợp tạo khối chất thải và rút ngắn thời gian chất thải lưu ở đường tiêu hoá (Julian, 2009), do đó nó cũng giảm thời gian những chất độc hại tiếp xúc với ruột

Tổ chức Lương nông của liên hiệp quốc (FAO), Tổ chức y tế thế giới (WHO), Ủy ban chuyên gia thực phẩm và ủy ban châu âu, Ủy ban khoa học về thực

phẩm (EC/SCF) đưa ra kết luận, khi người tiêu dùng sử dụng trung bình 90 g PD / ngày hoặc 50 g trong một liều đơn thì PD có tác dụng nhuận tràng

♦ Ngăn ngừa béo phì

Các tính chất của PD như có kích thước phân tử lớn, không bị thủy giải bởi

hệ enzyme đường ruột, khả năng hấp thu nước mạnh trở thành chất gel PD có giá trị năng lượng thấp (1Kcal/g), độ ngọt gần như bằng không nên làm giảm lượng đường hấp thu vào cơ thể không tạo ra tình trạng thừa đường để chuyển hóa thành

mỡ dự trữ, do đó mang lại hiệu quả rất cao cho việc ngăn ngừa bệnh béo phì

2.2.3.2 Tính chất của prebiotic

● Khái niệm prebiotic

Khái niệm đầu tiên về prebiotic do Gibson và Roberfroid đưa ra vào năm

1995 (Robert, 2000): “ Prebiotic là một dạng thực phẩm không tiêu hoá được, nhưng có ảnh hưởng tốt cho cơ thể con người bằng cách kích thích sự tăng trưởng của các vi khuẩn có lợi” Prebiotic được xem là thức ăn của những vi khuẩn sống có lợi cho sức khoẻ

Prebiotic được con người sử dụng như chất ăn kiêng đã hàng thập kỷ nay, tuy nhiên những nghiên cứu mới đây về nó đã chỉ ra rằng việc sử dụng prebiotic sẽ giúp cải thiện hệ vi khuẩn đường ruột Vi khuẩn đường ruột sử dụng loại thực phẩm này để phát triển Ngoài ra, một số prebiotic được đưa vào thực phẩm nhằm làm tăng giá trị cảm

quan cho sản phẩm Bên cạnh đó chúng hoàn toàn có thể thay thế chất béo có giá trị năng lượng thấp Từ đó khái niệm về prebiotic ngày càng mở rộng, để có thể phân biệt

prebiotic với các dạng thực phẩm khác cần dựa vào những điều kiện sau:

- Khả năng kháng acid dạ dày, không bị thuỷ giải bởi enzyme đường ruột, không bị hấp thu bởi hệ tiêu hoá

- Được lên men bởi hệ vi sinh có ích ở đường ruột

- Kích thích sự tăng trưởng/hoạt hoá nhóm vi khuẩn có ích trong hệ tiêu hoá

● Vai trò của prebiotic

Vai trò chủ yếu của prebiotic là kích thích chọn lọc sự phát triển của vi sinh vật có lợi trong hệ tiêu hóa nên các prebiotic không bị tiêu hóa ở dạ dày trên và chỉ được sử dụng bởi một số vi sinh vật giới hạn trong hệ vi sinh vật có trong đường ruột (người ta ước tính trong ruột của người trưởng thành có khoảng 1014 loại vi khuẩn với trên 400 loài và dưới loài với tổng khối lượng khoảng 1 - 1,5 kg) Prebiotic xuất hiện một cách tự nhiên trong các loại cây thảo dược như tỏi, hành, măng tây, mật ong, đậu nành, sake…và có cả trong sữa, sữa chua

- Prebiotic có khả năng chống ung thư Mặc dù tác dụng này chưa được công

bố chính thức nhưng người ta cho rằng prebiotic có tác dụng này là có sự hiện diện của nhóm butyrate Prebiotic có thể làm tăng nồng độ của Ca và Mg trong ruột, do

đó có thể kiểm soát được tốc độ thay thế của tế bào, đồng thời nồng độ Ca cao còn

có tác dụng kiểm soát sự tạo thành các phức hoặc muối không tan của các axit béo,

từ đó tránh được các ảnh hưởng có hại đối với hệ tiêu hóa

- Prebiotic còn kích thích sự phát triển của nhóm vi khuẩn có ích như

Bifidobacterium và Lactobacillus trong ruột già Các nhà khoa học cho rằng các vi

khuẩn này có thể liên kết từ đó bất hoạt các tác nhân gây ung thư, thậm chí có thể trực tiếp ức chế sự phát triển của các khối u

- Khả năng kháng khuẩn của prebiotic được xem là kết quả của sự kích thích

sự phát triển của hai loài vi khuẩn trên Các loài vi khuẩn này kích thích sự gia tăng các kháng thể IgA, IgM, IgG đồng thời chúng cũng tạo ra chất kháng khuẩn: axit lactic, bacterioxin, H2O2

♦ PD là prebiotic

Những nghiên cứu gần đây cho thấy, PD được hệ vi khuẩn có ích ở ruột kết lên men chậm, gián tiếp tạo ra tác động prebiotic không chỉ ở ruột kết gần gốc mà còn ở vị trí ngoại biên nơi mà có nguy cơ tiềm ẩn bệnh cao (Julian, 2009; Susan, 1999) Cách sắp xếp những liên kết glycosidic trong chuỗi PD giúp nó chống lại sự thủy phân bởi các enzyme tiêu hóa Điều này đã được xác định bằng việc sử dụng các PD trong những cuộc thí nghiệm trên chuột và người và được khẳng định khi đo chỉ số đường huyết (Norbert, 1992) Sau khi PD đi vào đường tiêu hóa, PD di chuyển nguyên vẹn vào ruột kết, tại đây nó được lên men một phần bởi hệ vi sinh ruột kết Sự lên men chậm và lâu dài của PD lần đầu tiên được chứng minh bằng việc sử dụng một mô hình kết tràng trong ống nghiệm và tiếp đến được khẳng định bằng cuộc thí nghiệm trên heo Ishizuka và ctv (2003) sử dụng mô hình thí nghiệm trên chuột và cho thấy rằng PD làm giảm đáng kể sự hình thành Aberrant crypt foci ( ACF – đây là chất được tạo ra ở ruột kết khi có sự hiện diện của chất sinh ung thư – carcinogen) Tác động này được thấy rõ nhất ở trực tràng - nó làm giảm tới 65% ACF, tác giả kết luận rằng việc tiêu hóa PD có thể ngăn ngừa được bệnh ung thư ruột già (colorectal carcinogenesis)

Nghiên cứu bởi Hiroshi và ctv (2000) cho thấy PD làm tăng sự hấp thụ calcium

và sự khoáng hóa xương ở chuột Tác động này một phần là do sự acid hóa ở ruột kết,

và điều này làm tăng tính hòa tan calcium Zhong và ctv, (2000) đã tiến hành cuộc nghiên cứu kiểm chứng liên quan đến những con chuột khỏe mạnh, cho thấy PD làm

tăng cả số lượng vi khuẩn Bifidobacterium và Lactobacilli khi được sử dụng với một

liều lượng nhất định; và tác động được ghi nhận với liều lượng 4g mỗi ngày

Tăng liều lượng PD dẫn đến việc giảm độ pH của phân, sẽ ngăn chặn sự tăng trưởng nhóm vi sinh vật có hại Lượng butyrate trong phân cũng tăng Wang và Gibson (1993) cho biết PD tạo ra một tỷ lệ lớn propionate và butyrate so với các carbonhydrates được lên men khác Tỷ lệ mol của acetate, propionate và butyrate là

61 : 25 : 14, và khẳng định PD có tác động đến bifidogenic khi được sử dụng 5 g

PD / ngày kết hợp với 1 g prebiotic Vi khuẩn Bifidobacterium tăng gần 100 lần so

với lượng vi khuẩn ban đầu 107

Vi khuẩn sử dụng PD giúp tăng khả năng sinh các chất miễn dịch thông qua

sự lên men PD tác động có lợi đến chức năng của niêm mạc ruột, làm vi khuẩn tăng cường sản sinh butyrate là một nguồn năng lượng quan trọng không chỉ cho các tế bào biểu mô mà còn đối với các tế bào miễn dịch niêm mạc Sử dụng PD cũng giúp

vi khuẩn có ích tăng sự sản xuất immunoglobulin A (IgA) trong ruột kết, cân bằng các phản ứng miễn dịch trong ruột kết đặc biệt quan trọng trong việc giảm nguy cơ phát triển ung thư kết tràng Việc tồn tại quá mức của gene cyclooxygenase 2 (cox - 2) có liên quan đến những giai đoạn đầu tiên của sự phát triển ung thư kết tràng và những căn bệnh viêm mãn tính Mãkivuokko và ctv (2005) đã tiến hành nghiên cứu

in vitro mô phỏng quá trình lên men ở ruột kết ở người nhằm nghiên cứu những tác động của PD đối với sự phát triển ung thư kết tràng, quan sát thấy tác động này suy giảm ở cox - 2 trong những tế bào Caco - 2 (dòng tế bào ung thư ruột kết ở người) Việc suy giảm này của cox - 2 liên quan đến sự lên men trong kết tràng của PD Cho thấy rõ hơn vai trò của PD đối với việc chống lại bệnh ung thư ruột kết Nghiên cứu này là một thí dụ điển hình của ngành khoa học dinh dưỡng cũng như tác động của dinh dưỡng đối với biểu hiện gen Hiện nay, các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu vai trò của PD đối với bệnh gút (Julian, 2009)

2.2.3.3 Những công dụng của PD

♦ Tính an toàn

PD được chứng minh là an toàn cho người sử dụng (Zhong và ctv, 2000) Khẳng định tính an toàn của PD là điều kiện tiên quyết để trở thành thành phần nguyên liệu sử dụng trong chế biến thực phẩm trên thế giới Các cuộc nghiên cứu chuyên sâu đã được thực hiện trên nhiều loại động vật khác nhau Những cuộc nghiên cứu này được bổ sung bằng những nghiên cứu trên người với liều lượng lên tới 150 g PD/ngày, hay nói cách khác là PD có thể được tiêu thụ nhiều hơn có thể (Julian, 2009)

♦ Sức khoẻ răng miệng

PD được biết đến như là một sản phẩm thân thiện với sức khoẻ răng miệng, không gây sâu răng PD dạng thương phẩm Listesse®, Litesse®II và Litesse®Ultra™ của hãng Danisco đã qua cuộc kiểm tra độ pH từ những mảng bám chân răng và được

đề nghị đưa vào sản xuất bánh kẹo thân thiện với răng (Julian, 2009)

♦ Tính bền vững

PD có khối lượng phân tử lớn 1500-18000 dalton với những liên kết β-1,6 và β-1,4 (An, và ctv, 1996) Vì thế, nó ít bị tác động thẩm thấu khi di chuyển qua đường ruột Ngoài ra, như đã nêu trên PD được hệ vi sinh ở ruột kết lên men Điều này trái ngược với các carbohydrate không tiêu hóa khác Các carbohydrate này có cấu trúc thẳng và lên men nhanh trong ruột kết gần đầu cuối Những yếu tố này giúp

PD có tác dụng tốt khi được tiêu thụ ở mức độ nhất định

♦ Tạo cảm giác no

PD không được xem như là thức ăn Tuy nhiên, nhà sản xuất khuyến khích người sử dụng sản phẩm thực phẩm có chứa PD sẽ tiêu thụ ít calori hơn Neil và ctv (2005) nghiên cứu tác động độc lập và kết hợp của PD và xylitol với cảm giác đói bụng Tỷ lệ xylitol : PD / 50 g : 50 g hoặc bổ xung 25 g PD vào trong yogurt, được cho ăn trước bữa ăn trưa 3 giờ, sẽ hạn chế được 5% - 8% lượng calo mà cơ thể hấp thu (Julian, 2009)

♦ Giá trị năng lượng

Tính chất chính quan trọng đưa PD vào công thức chế biến thực phẩm cho người ăn kiêng là do nó có giá trị sinh năng lượng thấp 1 Kcal/g Vì vậy PD ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm để thay thế đường sucrose (có giá trị năng lượng 4 Kcal/g), PD có giá trị năng lượng thấp hơn rất nhiều khi thay thế chất béo (có giá trị năng lượng 9 Kcal/g)

2.3 Ứng dụng PD trong công nghệ thực phẩm

PD có nhiều ưu điểm ứng dụng trong chế biến thực phẩm PD cho phép phát triển các sản phẩm thực phẩm với một sự cải tiến lớn về giá trị dinh dưỡng như prebiotic, sự tăng cường chất xơ, giảm giá trị năng lượng calori, giảm lượng

glycemic cũng như giảm lượng đường và chất béo Những đặc tính công nghệ của

PD sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất các sản phẩm có giá trị tương tự như các sản phẩm tiêu chuẩn

● Những ứng dụng trong sản xuất kẹo, mứt

Kết hợp giữa khả năng hoà tan trong nước và độ nhớt cao của PD tạo điều kiện thuận lợi cho quy trình sản xuất kẹo không đường và kẹo ít đường PD là một lựa chọn tuyệt vời để giảm hàm lượng calori và hàm lượng đường trong kẹo cứng

và kẹo nhai và đường caramen cũng như pectin và các loại thạch gelatin

Do PD tan chảy ở nhiệt độ cao, không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như cảm giác mát lạnh ở miệng khi ăn, điều này cho phép gia tăng hương thơm, vị ngon của kẹo, mứt (Julian, 2009)

● Sản xuất chocolate

PD có thể giúp phát triển những sản phẩm chocolate ít calori và giàu chất xơ

PD có chức năng thay thế sucrose, tạo ra kết cấu dạng kem, ngoài ra PD cũng tạo nên hương vị chocolate thông qua việc hình thành một khối lượng nhỏ caramel trong quá trình chế biến, bên cạnh sản phẩm có pH thấp sẽ giúp cho hương coca và

vị kẹo giữ được lâu

● Những thức ăn nướng

PD được dùng thay thế đường ngọt trong rất nhiều sản phẩm bánh ngọt như bánh bích quy, bánh bơ, bánh yellow (yellow cakes), bánh puding, bánh rán… PD với vai trò là chất tạo khối bổ sung vào những khoảng trống cải thiện kết cấu như tăng độ căng, độ cứng – giòn của bánh, giảm tính dính dẻo, tạo nên vị ngon của sản phẩm và cung cấp ít calori PD có thể thay thế đường sucrose với tỉ lệ 70 : 30 / sucrose : PD

PD thay thế đường, chất béo trong các loại thức ăn nướng với đặc tính giữ

ẩm và hoạt hóa nước (tương tự như đường sucrose) cho phép kéo dài thời hạn sử dụng PD được sử dụng để kiểm soát độ ngọt của các sản phẩm nướng, do PD có vị ngọt nhẹ nên được ứng dụng trong sản xuất các loại bánh có hương vị mặn như bánh bích qui và bánh mì

● Các loại nước sốt

Nhiều loại nước sốt trộn salad có giá trị năng lượng calories cao 60 - 80%,

thậm chí có loại nước sốt làm từ chất béo thì giá trị năng lượng calori lên đến 80 - 95% Do vậy, người ta đã dùng PD để thay thế một phần đường và chất béo trong công thức làm nước sốt nhằm giảm giá trị calori mà vẫn giữ được vị ngon và cảm quan ban đầu, một số sản phẩm đã được người tiêu dùng chấp nhận trên thị trường (Helen, 2001)

● Các món tráng miệng đông lạnh

PD được dùng thay thế đường, chất béo trong chế biến các món tráng miệng đông lạnh làm từ sữa PD có tác dụng tạo khối, tạo kem, độ mịn, cảm giác ngon miệng hương vị của chất béo và của đường, giúp tạo ra các sản phẩm chất lượng cao, ít calori, giảm chất béo

● Nước ngọt và các thức uống từ sữa

PD thích hợp dùng trong chế biến các loại nước ngọt và các thức uống làm từ sữa PD giúp tạo nên cảm giác của loại sữa có hàm lượng chất béo nhiều hơn, vị ngon hơn Ứng dụng này đặc biệt quan trọng đối với các sản phẩm sữa ít béo PD còn được thêm vào các loại thức uống như bổ xung nguồn chất xơ mà không làm ảnh hưởng nhiều đến cảm quan và chất lượng của sản phẩm vì nó có thể hòa tan, tạo thành dung dịch trong suốt và giữ được lâu

● Các sản phẩm sữa chua

PD được dùng trong sản xuất yogurt tạo độ mịn và xốp, hình thành pho - mat mềm, tăng cảm giác ngon miệng Những lợi ích chủ yếu của PD khi thay thế đường

và chất béo giúp ngăn ngừa sự đông cục, tăng độ sệt, độ kem mà không tạo ra cảm

giác dính, giảm calori PD cũng giúp làm tăng lượng kem có trong yogurt trái cây

● Mứt trái cây

PD được sử dụng trong chế biến mứt trái cây để thay thế đường và tạo ra sự đông đặc Độ hòa tan của PD trong nước và độ đặc cao rất lý tưởng trong việc giảm lượng đường và calori vốn có nhiều trong mứt PD giúp ngăn sự di chuyển độ ẩm từ

mứt vào trong bột nhào và bánh ngọt, tăng thời hạn sử dụng trong một sản phẩm hỗn hợp bánh mứt

● Những ứng dụng đối với các sản phẩm thịt

PD được sử dụng chung với bột làm lớp vỏ phủ bên ngoài trong các sản phẩm thịt nhằm giữ độ ẩm và nước trong khối thịt không bị mất đi, do vậy sản phẩm giữ độ giòn lớp vỏ bên ngoài được lâu hơn Trong các sản phẩm thịt đông lạnh PD được sử dụng như chất bảo vệ, nhằm làm thay đổi nhiệt độ chuyển pha mà không tăng độ ngọt Điều này giúp các sản phẩm cá và thịt đông lạnh có vị ngon hơn và cảm quan đẹp hơn Trong các loại chả thịt, xúc xích, PD có thể thay thế chất béo mà không làm giảm hương vị mà còn tạo ra sản phẩm ít béo và ít calori

● Mì ống và mì dẹt

PD làm tăng chất xơ trong các loại mì ống và mì dẹt, cũng như mang lại những ích lợi trong đặc điểm cơ học của bột nhào, khi thêm PD vào bột nhào giúp cho sợi mì thêm dai Kết cấu của các sản phẩm nấu chín thay đổi không đáng kể khi cho PD vào và 95% PD vẫn còn nguyên trong mì sau khi nấu chín

2.4 Các nguyên liệu chính sản xuất PD

2.4.1 Đường glucose

Glucose là nguyên liệu cơ bản để tổng hợp PD Glucose có nhiều trong trái nho chín, các trái cây chín khác, cũng như trong mật ong Glucose được Andreas Marggraf ly trích đầu tiên từ trái nho khô vào năm 1747 Tên glucose được Jean

Dumas đặt vào năm 1838 Tên glucose xuất phát từ tiếng Hy Lạp glycos, có nghĩa

là đường hay ngọt Cấu tạo của glucose được Emil Fisher khám phá vào khoảng thời gian từ cuối thế kỷ 19 đến đầu thế kỷ 20

● Ứng dụng

Các tính chất vật lý, hoá học và dinh dưỡng của đường glucose được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm như nghành công nghiệp lên men bia (bia, đồ uống có cồn…), sản xuất bánh mì, trong công nghiệp bánh kẹo, đồ hộp, thức ăn nhanh và những lĩnh vực khác nhau như công nghệ hoá chất và dược phẩm (Hoàng Kim Anh và ctv, 2004) Từ glucose điều chế được sorbitol, acid gluconic…, glucose tham gia phản ứng tráng gương (gắn lớp kim loại bạc lên thủy tinh tạo gương soi, bình thủy giữ nhiệt, linh kiện điện tử,…)

Bảng 2.5: Bảng thể hiện độ ngọt của một số đường (Nguồn: Hoàng Kim Anh, 2008)

Hình 2.3: Minh họa cấu trúc hóa học của acid citric

- Công thức hóa học : C6H8O7

- Khối lượng riêng 1665 kg/m3

- Nhiệt độ nóng chảy 153ºC (307.4ºF, 4260K)

- Nhiệt độ sôi phân hủy ở 175ºC

Ở nhiệt độ phòng, acid citric là chất bột kết tinh màu trắng, có thể tồn tại dưới dạng khan (không chứa nước) hay dưới dạng ngậm một phân tử nước (monohydrate) Acid citric ở dạng khan kết tinh từ nước nóng, trong khi dạng monohydrate hình thành khi acid citric kết tinh từ nước lạnh Dạng monohydrat có thể chuyển hóa thành dạng khan khi nung nóng tới trên 74oC Acid citric cũng hòa tan trong ethanol nguyên chất (đạt nồng độ 76% ) ở 15oC

Về mặt hóa học thì acid citric cũng có tính chất tương tự như các acid carboxylic khác Khi nhiệt độ trên 175ºC thì nó phân hủy tạo thành CO2 và nước

● Ứng dụng

Citric acid an toàn khi sử dụng, với vai trò là một chất phụ gia thực phẩm, acid citric được dùng làm gia vị, chất bảo quản thực phẩm và đồ uống, đặc biệt là nước giải khát, nó mang mã số E330

Muối Citrat của nhiều kim loại được dùng để vận chuyển các khoáng chất trong các thành phần của chất ăn kiêng vào cơ thể Acid citric cũng được cho vào thành phần của kem để giữ các giọt chất béo tách biệt Ngoài ra nó cũng được thêm vào nước ép trái cây tươi

2.4 3 Isopropanol

Isopropanol (IPA) là một rượu không màu, dễ cháy và có mùi nặng, có khả năng hòa tan các hỗn hợp không cực, có khả năng bay hơi nhanh chính nhờ vậy IPA được sử dụng rộng rãi như một dung môi hoà tan và chất tẩy rữa, đặc biệt đối với các vết bẩn dầu mỡ hoặc chất béo IPA còn có một ứng dụng khá quan trọng là khả năng kết tủa một số protein và cacbohydrat Do phân tử IPA có khả năng liên kết rất mạnh với các phân tử nước từ đó khiến cho các phân tử protein hoặc cacbohydrat liên kết lại với nhau, tăng trọng lượng và lắng xuống

- Công thức hóa học: C3H7OH

- Khối lượng riêng (ở 20oC): 0,786 g/cm3

- Điểm sôi: 82,3oC

Hình 2.4 : Cấu trúc hóa học của Isopropanol

Hiện nay không hề có bất kỳ nghiên cứu nào chỉ ra khả năng sử dụng an toàn tuyệt đối của IPA đối với con người, thậm chí IPA còn bị coi như một chất gây kích ứng da Tuy nhiên với liều dùng thích hợp (trong khoảng 2,6 – 6,4 mg/kg thể trọng) thì không có ảnh hưởng đặc biệt nào lên cơ thể, nó có thể được bài tiết ra ngoài qua

hô hấp và nước tiểu

2.5 Phương pháp sản xuất PD

Hiện nay các sản phẩm PD trên thị trường đều được sản xuất bằng cách trùng hợp hoá các glucose, dextrose, hoặc maltose với sự có mặt của các acid polycarboxylic làm chất xúc tác ở nhiệt độ cao (trên nhiệt độ nóng chảy), chưa có

tài liệu nào công bố chứng minh PD có thể sản xuất bằng các phương pháp khác

Các nguyên liệu như glucose, maltose, hoặc các phân tử đường đơn khác trong phân tử có nhiều gốc –OH tự do phân bố ở các vị trí như đầu mạch (1), cuối mạch (6) và giữa mạch (2-5) Khi nung nóng các monosacchride trong môi trường

có acid xúc tác, đầu tiên có phản ứng enol hoá xảy ra và tiếp theo là phản ứng tách nước, cùng với một số phản ứng phụ khác Do trong môi trường có mặt acid nên các monosacchride sẽ thực hiện quá trình polymer (có bản chất là phản ứng ngược của quá trình thuỷ phân) và tạo lại thành các glycoside chủ yếu là các disacchride, oligosacchride và isomaltose Khi chọn điều kiện chân không và nhiệt độ thích hợp quá trình trùng hợp sẽ tạo thành sản phẩm có DP đạt trên 10, sản phẩm thu nhận chủ

yếu là PD Quá trình trùng hợp các phân tử glucose hay maltose thật ra đó là quá