1.3.1 Giới thiệu về tinh bột
Tinh bột là nguồn nguyên liệu để tổng hợp polymaltose của đề tài. Tinh bột là hợp chất hữu rất cơ phổ biến chỉ sau xenlulose. Tinh bột thường có trong củ, quả, hạt ... của cây xanh, chúng đóng vai trò là chất dự trữ năng lượng cho cây. Ngoài ra tinh bột còn có nhiều trong các loại rau quả và là nguồn cung cấp calo chính cho người và gia súc. Các nguyên liệu khác nhau thì thành phần tinh bột trong đó cũng không giống nhau tuỳ thuộc vào đặc điểm nguyên liệu: tinh bột trong sắn chiếm 95%; trong khoai lang là 81%; lúa, gạo, ngô tinh bột chiếm 35 – 70%, khoai tây 70-75%%,…Hình dạng và thành phần hóa học của tinh bột phụ
thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt ...[1].
Tinh bột là loại polysaccharide carbonhydrate khối lượng phân tử cao gồm các đơn vị glucose được nối nhau bởi các liên kết α- glucoside, có công thức phân tử là (C6H10O5)n, với n có thể từ vài trăm đến hơn một triệu. Tinh bột tồn tại chủ yếu trong thực vật dưới dạng các hạt có kích thước 0,02 đến 0,12 nm. Hạt tinh bột có cấu tạo hình tròn, hình bầu dục hay đa giác. Hạt tinh bột có nguồn gốc thực vật khác nhau thì có hình dạng và kích thước khác nhau. Kích thước của các hạt tinh bột khác nhau cũng ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của tinh bột như nhiệt
độ hồ hóa, khả năng hấp thụ xanh metylen…Hạt tinh bột nhỏ có cấu trúc chặt, hạt tinh bột lớn có cấu trúc xốp. Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm do những tính chất hóa lí của chúng. Tinh bột thường dùng làm chất tạo độ nhớt sánh cho các thực phẩm dạng lỏng hoặc là tác nhân làm bền keo hoặc nhũ tương, như các yếu tố kết dính và làm đặc tạo độ cứng, độđàn hồi
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 17
cho nhiều loại thực phẩm. Ngoài ra tinh bột còn nhiều ứng dụng trong dược phẩm, công nghiệp dệt, hóa dầu.
Tinh bột được cấu tạo bởi hai cấu tử: amylose và amylopectin. Tính chất của tinh bột được quyết định bởi tính chất và tỉ lệ giữa hai cấu tử này[15].Tỷ lệ
phần trăm amylose và amylopectin thay đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, amylose thường chiếm 12-25% còn amylopectin chiếm 75-85% phân tử tinh bột. Phân tử lượng của amylose chiếm 3.104-1.106Da và amylopectin là 5.105- 1.107Da [27]. Phân tử amylose và amylopectin đều được cấu thành từ các phân tử
glucose.
Amylose
Hình 1.2 Cấu tạo amylose
Amylose có các gốc glucose gắn với nhau bằng liên kết α-1,4-glucoside thông qua cầu oxy giữa các nguyên tử cacbon thứ nhất và thứ tư của glucose tạo nên một chuỗi dài 200-1000 đơn vị glucose, mạch tạo thành phân tử amylose là mạch thẳng [33].
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 18
Amylopectin:
Hình 1.3 Cấu tạo amylopectin
Phân tử amylopectin ngoài liên kết α-1,4-glucoside còn có liên kết nhánh
α-1,6-glucoside, vì vậy ngoài cấu trúc mạch thẳng, amylopectin còn có cấu trúc mạch nhánh, thông thường có 20-30 gốc glucose giữa hai điểm phân nhánh [33]
Do cấu tạo phân tử khác nhau, amylose và amylopectin có tính chất lý hoá khác nhau. Amylose tác dụng với iốt sẽ cho phức hợp màu xanh trong khi đó amylopectin cho màu nâu. Đó là do phân tử amylose có dạng hình xoắn ốc nên hấp thụđược các phân tử iốt. Amylose dễ hoà tan trong nước ấm, tạo nên dịch có
độ nhớt không cao còn amylopectin chỉ hoà tan khi đun nóng và cho dịch có độ
nhớt cao. Dịch amylose không bền, nhất là ở nhiệt độ thấp, nó dễ dàng tạo nên dạng gel vô định hình, sau đó trở thành các gel tinh thể và các kết tủa không thuận nghịch. Các phân tử amylopectin không có xu hướng kết tinh, chúng có khả năng giữ nước lớn nên dịch amylopectin thường không bị thoái hoá [11;54]
Hạt tinh bột khi được xử lý thuỷ nhiệt thì sẽ xảy ra hiện tượng hồ hoá và hoà tan. Trước hết, hạt tinh bột sẽ hấp thụ nước làm liên kết ở phân tử tinh bột bị
yếu đi, phân tử tinh bột xê dịch, rão ra và trương phồng lên. Độ nhớt của dung dịch tăng mạnh đến một mức độ nào đó, hạt tinh bột bị vỡ ra, phân tử tinh bột bị
thuỷ phân, hoà tan và độ nhớt của dung dịch giảm, lúc này các phân tử tinh bột phân bố đồng đều trong khối nước tạo thành một hệ thống đồng thể (gọi là hồ
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 19
mức độ hydrat hoá khác nhau thành dung dịch keo) phụ thuộc kích thước hạt tinh bột, vào nguồn tinh bột và vào thành phần amylose/ amylopectin trong tinh bột. Hồ tinh bột có tính chất nhớt dẻo. Độ nhớt của hồ tinh bột phụ thuộc nhiều yếu tố: nồng độ tinh bột, đường kính của các hạt phân tán, nhiệt độ, pH khi để nguội hồ tinh bột một thời gian dài, tinh bột bị thoái hoá kèm theo tách nước và đặc cứng. Tính chất thuỷ nhiệt và sự hồ hoá của tinh bột là một đặc tính được quan tâm đến nhiều trong các phản ứng enzyme [33;54].
1.4.2. Tinh bột sắn
*Cấu tạo và tính chất của tinh bột sắn
Tinh bột sắn có đầy đủ về mặt cấu tạo và tính chất của tinh bột nói trên. Ngoài ra tinh bột sắn còn có một sốđặc điểm sau:
Hàm lượng amylopectin trong tinh bột sắn tương đối cao, chiếm 78 - 80%, amylose chiếm 12 – 18 %.
Hạt tinh bột sắn có kích thước 15 - 20 µm, chủ yếu là hình tròn, có bề mặt nhẵn.
Tinh bột sắn có màu sáng trắng, có độ pH từ 4,5 đến 6,5.
Tinh bột sắn có độ nở, khả năng hồ hoá và độ hoà tan cao. Khoảng nhiệt độ
hồ hoá của tinh bột sắn là 58 - 680C, độ nhớt dung dịch bột tăng nhanh và có độ
dính cao so với tinh bột từ các nguồn khác. Ngoài ra, hồ tinh bột sắn có xu hướng thoái hoá thấp và độ bền gel cao. Đây là tính chất quan trọng giúp tinh bột có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Xử lý hóa học và vật lý (gia nhiệt, tăng áp suất hơi), pH của môi trường và sự có mặt của các chất như protein, chất béo, chất có hoạt tính bề mặt đều có ảnh hưởng tới độ nhớt của tinh bột sắn [5; 6; 11].
Về mặt cảm quan tinh bột là các hạt rất mịn, màu trắng. Để bảo quản tốt, người ta giữ độ ẩm của tinh bột trong khoảng 12-14% nhằm ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật [54].
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 20
* Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn
Sắn được trồng phổ biến ở hơn 100 quốc gia trên toàn thế giới. Sản lượng sắn toàn cầu trong 5 năm trở lại đây đạt trên 230 triệu tấn/năm. Năm 2014 sản lượng sắn toàn cầu ước đạt 291 triệu tấn, tăng 4,6% so với năm 2013 [61; 63].
Việt Nam thuộc nhóm 10 quốc gia có năng suất sắn hàng đầu thế giới [63], bao gồm Ấn Độ, Angola, Ghana, Mozambic, Việt Nam, …. Sản lượng sắn hàng năm tại mười quốc gia có sản lượng sắn cao nhất thế giới chiếm tới 75% tổng sản lượng sắn trên toàn thế giới [60].
Tại Việt Nam, sản xuất sắn là nguồn thu nhập quan trọng của các hộ nông dân nghèo do sắn dễ trồng, ít kén đất, ít vốn đầu tư, phù hợp sinh thái và điều kiện kinh tế nông hộ. Giai đoạn từ năm 2000-2011, tốc độ tăng trưởng diện tích bình quân hàng năm là 6% và tốc độ tăng trưởng sản lượng bình quân hàng năm
đạt 10%. Từ năm 2011 đến nay diện tích và sản lượng sắn hàng năm luôn duy trì
ổn định ở mức cao [2]. Dưới dây là số liệu diện tích và sản lượng sắn Việt Nam qua các năm:
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 21
Theo số liệu công bố mới nhất của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, diện tích trồng sắn cho đến ngày 15/08/2014 đạt 469,3 nghìn ha, tăng 4,4% so với cùng kỳ năm trước. Tính đến ngày 15/08/2014, diện tích gieo trồng tại các tỉnh miền Nam đạt 322 nghìn ha, tăng 8% so với cùng kỳ năm trước, trong khi diện tích gieo trồng tại các tỉnh miền Bắc giảm 2,6% so với cùng kỳ, đạt khoảng 147,3 nghìn ha. Xuất khẩu sắn của Việt Nam trong tháng 7/2014 tăng 4% về
lượng so với tháng trước và tăng tới 142,3% so với cùng kỳ năm trước, đạt 243,5 nghìn tấn [59;61]. Toàn quốc có trên 60 nhà máy chế biến tinh bột sắn ở qui mô công nghiệp với tổng công suất chế biến mỗi năm đạt hơn nửa triệu tấn tinh bột sắn. Cây sắn là cây lương thực quan trọng đứng hàng thứ ba sau lúa và ngô, hiện nay nó được chuyển đổi vai trò từ cây lương thực, thực phẩm thành cây công nghiệp hàng hóa có lợi thế cạnh tranh cao. Vì vậy tinh bột sắn là nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền, được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, công nghiệp giấy và công nghiệp dệt [60].
1.4. QUÁ TRÌNH THU HỒI SẢN PHẨM
1.4.1. Quá trình làm sạch dịch bằng than hoạt tính
1.4.1.1. Giới thiệu về than hoạt tính
Các nguyên liệu chứa carbon được sản xuất một cách đặc biệt nhằm loại bỏ
các chất có nhựa và tạo ra các lỗ xốp trong chúng gọi là than hoạt tính. Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là carbon (85-98%), phần còn lại là chất vô cơ còn tồn tại dưới dạng tro (2-15%). Các chất vô cơ này thường không tham gia hoạt
động về mặt hấp phụ. Nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính khá phong phú như sọ dừa, gỗ, mạt cưa, các loại xương, các loại cây, than bùn, polime, dầu mỏ, than đá...Than hoạt tính là một trong các vật liệu mao dẫn, được sử dụng rộng rãi công nghiệp hóa chất, khai thác và chế biến dầu mỏ, công nghệ thực phẩm, xử lý môi trường.... Ngày nay than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học, quân sự, sản xuất và đời sống (than hoạt tính lọc hơi, khí
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 22
Than hoạt tính (Activated Carbon) là loại than được xử lý từ nhiều nguồn vật liệu. Những nguyên liệu này được nung nóng từ từ trong môi trường chân không, sau đó được hoạt tính hóa bằng các khí có tính ôxi hóa ở nhiệt độ cực cao. Quá trình này tạo nên những lỗ nhỏ li ti có tác dụng hấp thụ và giữ các tạp chất. Than hoạt tính lọc nước qua hai quá trình song song:
- Lọc cơ học, giữ lại các hạt cặn bằng những lỗ nhỏ.
- Hấp thụ các tạp chất hòa tan trong nước bằng cơ chế hấp thụ bề mặt hoặc trao đổi ion.
Than hoạt tính là một chất liệu xốp, có rất nhiều lỗ lớn nhỏ. Dưới kính hiển vi điện tử, một hạt than trông giống như một tổ kiến. Vì thế, diện tích tiếp xúc bề
mặt của nó rất rộng để hấp thụ tạp chất. Nếu tính ra đơn vị khối lượng thì là từ
500 đến 2500 m2/kg (Tùy theo nguyên liệu gốc, tổng diện tích bề mặt của 1/2kg than hoạt tính còn rộng hơn cả một sân bóng đá) [8].
Hình 1.5 Khả năng hấp thụ của than hoạt tính 1.4.1.2 Các dạng than hoạt tính
- Dạng bột cám (Powered – PAC) đây là loại được chế tạo theo công nghệ
cũ, nay thường được sử dụng trong sản xuất pin, ac- quy. Có một số nhà sản xuất dùng loại này trộn với keo đểđúc thành những ống than nhìn giống như dạng thứ 3 dưới đây.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 23
- Dạng hạt (Granulated –GAC) là những hạt than nhỏ, rẻ tiền, thích hợp cho việc khử mùi. Tuy nhiên, nước thường có xu hướng chảy xuyên qua những khoảng trống giữa những hạt than thay vì chui qua những lỗ nhỏ.
- Dạng khối đặc (Extruded Solid Block _SB) là loại hiệu quả nhất để lọc cặn, khuẩn Coliform, chì, độc tố, khử màu và khử mùi clorine. Loại này được làm từ nguyên một thỏi than, được ép định dạng dưới áp suất tới 800 tấn nên rất chắc chắn. Hiệu quả làm sạch sẽ tùy thuộc chủ yếu vào những yếu tố:
* Tính chất vật lí của than hoạt tính như kết cấu, kích thước, mật độ lỗ, diện tích tiếp xúc.
* Tính chất lí hóa của các loại tạp chất cần loại bỏ.
* Thời gian tiếp xúc của dịch với than hoạt tính càng lâu, việc hấp thụ càng tốt.
Than hoạt tính chỉ có tác dụng với một lượng nước nhất định. Sau khi lọc
được một khối lượng nước theo chỉđịnh của nhà sản xuất (chỉ những hãng uy tín mới chỉđịnh theo tiêu chí này), than sẽ không còn khả năng hấp thụ mùi nữa.
Trong sản xuất polymaltose, sử dụng than hoạt tính 1-3% so với tinh bột, nhiệt độ 80ºC, đảo trộn liên tục, thời gian 30 phút để làm sạch dịch polymaltose. Than hoạt tính có vai trò là hấp phụ các tạp chất, các chất có màu, có mùi lạ, kết tủa các hợp chất keo, kim loại nặng, làm tăng độ trong và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lọc.
1.4.2. Thu hồi sản phẩm polymaltose bằng phương pháp sấy phun
Sấy phun là một trong những công nghệ sấy công nghiệp chính do khả
năng sấy một bậc nguyên liệu từ dạng lỏng sang dạng bột khá đơn giản, dễ dàng kiểm soát nhiệt độ và định dạng hạt sản phẩm một cách chính xác. Thiết bị sấy phun dùng để sấy các dạng dung dịch và huyền phù trong trạng thái phân tán nhằm tách ẩm ra khỏi vật liệu giúp tăng độ bền và bảo quản sản phẩm.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 24
Sấy phun chuyên dùng để sản xuất các sản phẩm dạng bột, ứng dụng trong các ngành hóa mĩ phẩm, dược phẩm, thực phẩm (sữa bột, bột ngọt, trà và cà phê hòa tan, bột trái cây, đường bột,….). Năng suất thiết bị phụ thuộc vào nhà thiết kế, điện áp sử dụng 220/380V, 3 pha, tốc độđĩa phun điều khiển vô cấp, nhiệt độ
sấy, tốc độđĩa phun hiển thị bằng màn hình kĩ thuật số và dễ dàng cài đặt, có bộ
phận bảo vệ chống mất pha và quá tải, độẩm sản phẩm trong khoảng từ 3-7%, hệ
số thu hồi sản phẩm khoảng 80-95% [7].
*Nguyên lí làm việc
Không khí khi đi qua bộ lọc và bộ gia nhiệt được đưa vào bộ phân phối không khí ở trên đỉnh thiết bị, khí nóng được đưa vào buồng sấy đều theo hình xoáy trôn ốc. Nguyên liệu ở dạng lỏng từ màng nguyên liệu đi qua bộ lọc được bơm lên bộ phun sương ởđỉnh trên buồng sấy làm nguyên liệu trở thành dạng hạt sương cực nhỏ, khi tiếp xúc với khí nóng, lượng nước có trong nguyên liệu nhanh chóng bay hơi, nguyên liệu dạng lỏng được sấy khô thành sản phẩm trong thời gian cực ngắn. Thành phẩm được phần đáy của buồng sấy và bộ phân li gió xoáy đùn ra ngoài, phần khí thừa còn lại được quạt gió hút và đẩy ra ngoài.
*Đặc tính
- Tốc độ sấy rất nhanh, phù hợp cho các loại nguyên liệu nhạy nhiệt. - Sản phẩm sau khi sấy có dạng hạt tròn, kích thước đồng đều, độ trơn chảy tốt. Sản phẩm có độ tinh khiết và chất lượng cao.
- Phạm vi ứng dụng của thiết bị rộng rãi. Tùy theo tính chất của nguyên liệu mà có thể ứng dụng nhiệt nóng để sấy hay dùng khí mát để tạo hạt. Thiết bị
thực sự hoàn hảo cho nhiều loại nguyên liệu khác nhau.
- Vận hành máy đơn giản, máy chạy ổn định. Máy vận hành tự động hóa