Chƣơng 2 CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM LÊN MEN TỪ NGŨ CỐC
2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT MẬT TINH BỘT
2.4. Thuyết minh quy trình cơng nghệ sản xuất mật tinh bột
2.4.1. Chuẩn bị huyền phù tinh bột
Mục đích: chuẩn bị cho q trình hồ hóa, dịch hóa và đƣờng hóa tinh bột tốt hơn. Đầu tiên phải làm sạch tinh bột để loại trừ những tạp chất nổi, chất giàu đạm ở dạng hòa tan nhƣ albumin và giảm bớt độ chua của tinh bột. Thƣờng dùng tinh bột ở dạng ẩm (độ ẩm khoảng 50%). Có khi sử dụng dạng tinh bột khơ.
Nguyên liệu tinh bột đƣợc hịa trộn với một lƣợng nƣớc thích hợp để tạo thành dạng huyền phù (sữa tinh bột) có hàm lƣợng chất khơ khoảng 30÷35% (17÷19oBe), bổ sung một lƣợng chế phẩm α-amylase (Termamyl 120L) để dịch hóa. Lƣợng α-amylase cần thiết bổ sung ở giai đoạn này là 0,6÷0,8 kg/tấn chất khơ.
Điều kiện thích hợp cho hoạt động của α-amylase là cần có khoảng 20÷80 ppm Ca2+ (nhằmổn định và kích hoạt enzyme); dịch sữa tinh bột cần đƣợc acid hóa đến pH=6,0÷6,5.
2.4.2. Hồ hóa và dịch hóa
Khi huyền phù tinh bột bị đun nóng các liên kết hydro giữa các phần tử amylose và các mạch nhánh của amylopectin bị đứt, các hạt tinh bột trƣơng nở cùng với sự hút nƣớc tăng lên. Khi hạt tinh bột tiếp tục giãn nở, hút nƣớc nhiều hơn, trở nên trong hơn, thể tích tăng đáng kể, độ nhớt tăng lên, tinh bột từ dạng khơng tan trong nƣớc trở nên hịa tan và thu đƣợc hồ tinh bột.
Nếu tiếp tục kéo dài xử lý nhiệt, hạt tinh bột bị vỡ, bị thủy phân từng phần làm hòa tan một phần các phần tử cấu thành nên tinh bột và kéo theo giảm độ nhớt của dung dịch hồ tinh bột. Có thể hồ hóa bằng cách đun nóng gián tiếp hoặc trực tiếp.
Nếu dùng cách đun nóng trực tiếp thì tiến hành nhƣ sau: Dịch sữa tinh bột sau khi đã chuẩn bị đƣợc gia nhiệt bằng hơi nƣớc bão hịa có áp suất 5÷7at, phun trực tiếp vào dịch huyền phù để nâng nhiệt độ lên để hồ hóa rồi duy trì nhiệt độ này trong vịng 5 phút để hồ hóa hồn tồn tinh bột.
Tinh bột đã đƣợc hồ hóa sẵn sàng dịch hóa bằng sự thủy phân từng phần dƣới sự xúc tác của enzyme.
- Dịch hóa ở nhiệt độ thấp
Điều chỉnh nồng độ sữa tinh bột khoảng 30÷35%, dùng NaOH hoặc Na2CO3 điều chỉnh pH dịch tinh bột đạt 6÷6,5; Có thể cho thêm muối Ca với liều lƣợng 50÷300ppm vào sữa tinh bột.
Cân một lƣợng enzyme α-amylase, pha trong một lƣợng nƣớc nhất định sau đó trộn đều với sữa tinh bột. Tùy theo nồng độ sữa tinh bột, nồng độ enzyme mà lƣợng enzyme sử dụng sẽ khác nhau.
Bảng 2.9 đƣa ra các tỉ lệ thích hợp lƣợng enzyme sử dụng ứng với nồng độ khác nhau của sữa tinh bột trong thủy phân tinh bột sắn.
Bảng 2.9. Tỉ lệ enzyme sử dụng khi dịch hóa tinh bột sắn
Nồng độ enzyme (%) Nồng độ sữa tinh bột
15 20 25 30 35 40
0,05 0 0 4,3 6,9 11,2 16
38
Hỗn hợp đƣợc gia nhiệt từ từ và đƣợc giữ ổn định 15÷30 phút ở nhiệt độ 70÷750C, sau đó nâng nhiệt độ lên 1000
C trong vịng 5÷10 phút. - Dịch hóa ở nhiệt độ cao
Dịch hóa nhiệt độ cao tránh đƣợc sự thối hóa làm cho sản lƣợng kém và làm giảm chất lƣợng sản phẩm. Hình 2.9 mơ tả các bƣớc dịch hóa ở nhiệt độ cao.
Hình 2.9. Các bước dịch hóa sử dụng enzyme α- amylase chịu nhiệt
Dịch tinh bột sau khi đƣợc điều chỉnh hàm lƣợng chất khô thì cho emzyme α-amylase chịu nhiệt vào. Dịch tinh bột này đƣợc bơm qua bộ phận gia nhiệt hơi nƣớc trực tiếp để nâng nhiệt lên 1050C và giữ ở nhiệt độ này trong thời gian 5÷7 phút để hồn tồn hồ hóa và hịa tan tinh bột tạo thành dung dịch dextrin hòa tan.
Dung dịch dextrin hòa tan đƣợc đƣa về bộ phận làm mát để giảm nhiệt độ dịch hóa xuống 950C bắt đầu giai đoạn dịch hóa thứ cấp. Sự thủy phân lúc này đƣợc giữ trong thời gian thích đáng nhằm giảm kích thƣớc của dextrin bằng α-amylase xuống mức yêu cầu 10÷12DE. Thời gian này trong khoảng 90÷120 phút.
- Những yếu tố ảnh hƣởng đến tính kinh tế của giai đoạn dịch hóa:
Điều chỉnh pH là cần thiết đối với hiệu quả của giai đoạn dịch hóa ở nhiệt độ thấp lẫn nhiệt độ cao. pH thấp sẽ làm giảm tốc độ phản ứng thủy phân và tính ổn định của enzyme. pH cao sẽ sinh ra maltulose, sản phẩm phụ không cần thiết gây ảnh hƣởng đến hiệu quả kinh tế.
Khi dịch hóa sẽ thu nhận đƣợc các maltodextrin gồm các oligosaccharide có chứa từ 5÷10 đơn vị glucose. Việc dịch hóa ngồi mục đích tránh sự thối hóa tinh bột cịn có tác dụng làm giảm độ nhớt dung dịch và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân.
Trong hầu hết các quy trình sản xuất dùng enzyme thƣơng mại để dịch hóa tinh bột, giá trị DE đƣợc khống chế trong khoảng 8÷12. Q trình dịch hóa để đạt chỉ số DE theo yêu cầu đƣợc tiến hành trong thùng phản ứng duy trì nhiệt độ 90÷950
C trong 1÷2 giờ, dung dịch có đƣơng lƣợng dextrose khoảng 8÷12. Nếu kéo dài thêm thời gian dịch hóa cũng khơng có lợi do khơng làm tăng hiệu suất chuyển hóa (do enzyme bị giảm hoạt tính đáng kể ở điều kiện nhiệt độ cao và thời gian kéo dài) mà lại tăng màu sắc của dung dịch do đƣờng khử bị phân hủy. Khi sử dụng α-amylase của B. amyloliquefaciens để dịch hóa thì nhiệt độ tối đa khi gia nhiệt trƣớc khi dịch hóa
39
khơng q 950C. Vì vậy sau giai đoạn dịch hóa thì phải đƣợc thực hiện giai đoạn “nấu” cuối cùng để hồ hóa hồn tồn những hạt tinh bột cứng đầu có mặt trong một vài loại tinh bột. Nếu khơng thì nó sẽ gây nên sự vẩn đục trong sản phẩm cuối cùng trong khi chỉ số DE yêu cầu đã đạt đƣợc.
Tinh bột đã đƣợc dịch hóa thƣờng đƣợc đƣờng hóa nhƣng một lƣợng nhỏ đƣợc sấy phun để bán dƣới dạng sản phẩm maltodextrin.
2.4.3. Đường hóa
Q trình dịch hóa tiến hành đến hàm lƣợng đƣờng khử đạt 10÷15DE, sau đó đun dung dịch đến 100÷1200C để diệt enzyme α-amylase hoặc có thể đun sơi dịch tinh bột đã đƣợc dịch hóa trƣớc khi đƣờng hóa để giảm thành phần các chất khơng hịa tan.
Giai đoạn đƣờng hóa là giai đoạn thủy phân các maltodextrin và các oligosaccharide thành đƣờng glucose, maltose và maltotriose. Tùy theo loại sản phẩm mong muốn, q trình chuyển hóa này có thể đƣợc xúc tác bởi một hay kết hợp nhiều loại enzyme. Tinh bột đã dịch hóa có chỉ số 8÷12DE thích hợp để thực hiện đƣờng hóa tạo ra sản phẩm đƣờng hóa là sirơ glucose, với trị số DE từ 45 tới 98 hoặc hơn nữa. Con số lớn nhất đã đƣợc sản xuất là sirơ glucose có DE khoảng 97.
Hiện nay, sản phẩm với trị số DE cao này đƣợc sản xuất bằng cách sử dụng glucoamylase (còn gọi là amyloglucosidase hay γ-amylase) sẽ phân cắt β-D-glucose khỏi các liên kết glucan α-1,4, α-1,6 và α-1,3. Glucoamylase hay dùng đƣợc sản xuất bởi giống Aspergillus niger. Giống này có pH tối thích 4,0÷4,5 và hoạt động hiệu quả nhất ở 600C. Vì thế tinh bột phải đƣợc làm nguội nhanh (để tránh hiện tƣợng amylose kết hợp tạo vỏ trên bề mặt dịch tinh bột) và điều chỉnh pH của nó trƣớc khi bổ sung glucoamylase.
Theo lý thuyết, tinh bột đã dịch hóa cẩn thận tới DE khoảng 8÷12 có thể đƣợc thủy phân hồn tồn bởi glucoamylase để sản sinh ra một hỗn hợp cuối cùng đạt DE là 100. Trong thực tế, điều này chỉ có thể đạt đƣợc ở nồng độ chất khô tƣơng đối thấp. Tính tốn chi phí của việc cơ đặc sản phẩm bằng phƣơng pháp bốc hơi thì sử dụng nồng độ chất khơ 30÷35% là kinh tế. Điều này cho phép trị số DE tối đa đạt tới đƣợc là 96÷98 với thành phần glucose là 95÷97%, 1÷2% maltose và 0,5÷2% isomaltose (α- D-glucopyranosyl-(1,6)-D-glucose) theo khối lƣợng. Sản phẩm sirơ này có thể đƣợc sử dụng sau khi cô đặc, làm nguyên liệu trực tiếp sản xuất sirô fructose hoặc để sản xuất ra đƣờng glucose tinh thể.
- Cách tiến hành đƣờng hóa nhƣ sau:
Dịch thủy phân sau khi dịch hóa, đƣợc làm nguội đến nhiệt độ 600C và điều chỉnh pH=4,0÷4,5 rồi bổ sung enzyme glucoamylase. Lƣợng glucoamylase sử dụng với tỉ lệ 0,65÷0,8 lít/tấn tinh bột khơ.
Sự đƣờng hóa thƣờng đƣợc thực hiện trong các thùng có cánh khuấy rộng lớn mà mất vài giờ để đổ đầy hoặc tháo sản phẩm. Vì vậy sẽ lãng phí thời gian nếu bổ sung enzyme khi đã đầy thùng. Tốt nhất là định lƣợng enzyme theo tỉ lệ cố định hoặc bổ sung toàn bộ enzyme ở mức đổ đầy ban đầu.
Cơng đoạn đƣờng hóa mất 72 giờ để hồn tất (với yêu cầu chỉ số DE đạt tối đa, 96÷98) nhƣng có thể tăng nhanh bằng cách tăng lƣợng enzyme sử dụng.
Sau khi đƣờng hóa xong (khi đã đạt đƣợc DE tối đa), dịch thủy phân đƣợc gia nhiệt lên 800C trong 40 phút hoặc 850C trong 5 phút để diệt enzyme. Sự ủ ấm thêm nữa sẽ gây ra sự giảm trị số DE, cuối cùng khoảng 90 DE, nguyên nhân là do sự hình
40
thành isomaltose nhƣ là sự trùng hợp lại các glucose.
Hãng NOVO cung cấp sản phẩm Dextrozyme 225/75L là một hỗn hợp cân bằng của glucoamylase và pullulanase, đƣợc sử dụng trong việc sản xuất sirô glucose hàm lƣợng cao. Hiệu quả của việc sử dụng kết hợp các loại enzyme đƣợc thể hiện ở hình 2.10.
———200Ukg-1Aspergillus niger glucoamylase
---------400 U kg-1A. niger glucoamylase
·············200Ukg-1A. niger glucoamylase + 200Ukg-1Bacillus acidopullulyticuspullulanase Hình 2.10. Hiệu quả sử dụng dung dịch enzyme khác nhau
trong giai đoạn đường hóa
Việc sử dụng thêm các enzyme cắt nhánh (debranching enzymes) sẽ làm tăng nhanh q trình đƣờng hóa.
Hai loại enzyme cắt nhánh phổ biến là pullulanase và isoamylase (EC.3.2.1.68). Loại pullulanase sản xuất từ giống Baccillus acidopululyticus có thể đƣợc sử dụng dƣới điều kiện nhƣ glucoamylase từ Aspergillus (600C, pH=4,0÷4,5). Việc sử dụng pullulanase cùng với glucoamylase sẽ giảm bớt lƣợng glucoamylase cần dùng và nhờ có pullulanase mà khơng xảy ra sự tích tụ các oligosaccharide ở giai đoạn cuối của q trình đƣờng hóa và trị số DE đạt cao hơn.
Hiện nay có thể sản xuất tinh bột thủy phân với bất kỳ DE nào từ 1 đến 100 và với bất cứ thành phần nào bằng cách sử dụng phối hợp các -amylase vi khuẩn, fugal--amylase, glucoamylase và pullulanase và điều chỉnh thời gian phản ứng.
2.4.4. Tẩy màu và lọc
Dịch thủy phân sau khi diệt enzyme cần đƣợc loại bỏ các tạp chất nhƣ: chất béo, protein đã bị biến tính, các chất màu, v.v…
Tạp chất trong dịch thủy phân chia làm hai loại: tạp chất cơ học và tạp chất hòa tan. Tạp chất đƣợc mang vào do nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất và một số chất hòa tan tạo nên do phản ứng thủy phân. Các tạp chất hịa tan chủ yếu có:
- Muối của Ca có sẵn trong nguyên liệu;
- Các chất màu do enzyme đƣa vào, melanoidin sản phẩm của đạm và đƣờng (acid amin của enzyme, nguyên liệu và phần nhỏ đƣờng tạo thành trong quá trình thủy phân);
41
- Các hợp chất giữa tanin và muối sắt có trong nguyên liệu trong quá trình sản xuất, ảnh hƣởng của đƣờng ống thiết bị tạo nên.
Các tạp chất cơ học đƣợc loại bỏ khỏi dung dịch bằng cách ép lọc, các tạp chất hòa tan đƣợc loại bỏ khỏi dung dịch bằng than hoạt tính...
Dƣới đây mơ tả các bƣớc làm sạch mật tinh bột đang đƣợc sử dụng ở một số nhà máy sản xuất mật tinh bột:
- Tách chất béo: nếu mật sản xuất từ tinh bột ngơ thì trƣớc khi đem lọc mật lỗng thì phải qua bộ phận tách chất béo.
- Lọc dung dịch mật: thƣờng dùng máy lọc khung bản. Để tăng hiệu quả lọc nên dùng thêm chất trợ lọc là diatomid. Nhiệt độ dung dịch đƣờng khi lọc 80÷850C.
- Làm trắng mật: mật sau khi lọc trong suốt nhƣng có màu vàng nâu. Mức độ vàng phụ thuộc vào điều kiện thủy phân. Để làm trắng và làm trong suốt dung dịch mật, thƣờng dùng than hoạt tính.
Q trình cơ bản xảy ra ở đây là quá trình hấp phụ. Lƣợng than hoạt tính cần dùng 1% so với khối lƣợng chất khô của mật. Ngƣời ta trộn lẫn mật với một lƣợng than hoạt tính nhất định và khuấy liên tục sau đó tách than hoạt tính bằng máy lọc ép.
Sau khi tẩy màu, dịch thủy phân đƣợc cho thêm bột trợ lọc (diatomide) và lọc bằng thiết bị lọc khung bản. Tỉ lệ bột trợ lọc dùng vào khoảng 4÷6 kg/tấn chất khơ. Bột trợ lọc đƣợc chuẩn bị trƣớc bằng cách hịa trộn với sirơ hoặc với nƣớc đƣợc sử dụng để làm lớp lọc phụ trong giai đoạn chuẩn bị lọc. Lớp bột lọc giúp tăng cƣờng việc giữ lại các tạp chất và than để thu đƣợc dịch thủy phân sạch.
Sirơ sau khi lọc vẫn cịn chứa các tạp chất hữu cơ và vơ cơ hịa tan (chủ yếu là các muối khống) có trong nguyên liệu và các hóa chất bổ sung vào ở các giai đoạn trƣớc. Phần lớn các tạp chất này tồn tại ở dạng ion cân bằng phân ly. Để khử các tạp chất này, sirô đƣợc đƣa qua 3 cột trao đổi ion.
Trong trao đổi cation, phần lớn các ion kim loại đƣợc hấp phụ trên các hạt nhựa nhờ đó mà đƣợc loại ra khỏi sirơ, các ion H+ từ nhựa chuyển vào sirô.
Trong trao đổi anion, phần lớn các anion nhƣ Cl-
, SO42- bị hấp phụ trên nhựa, còn ion OH- từ nhựa đi vào sirô. Ion H+ và ion OH- kết hợp với nhau tạo thành nƣớc. Sirô tiếp tục dẫn qua cột nhựa hỗn hợp để loại triệt để các chất khống hịa tan cịn sót lại. Sau một thời gian làm việc nhất định, nhựa trao đổi ion cần phải đƣợc tái sinh.
2.4.5. Cơ đặc và rót sản phẩm
Sirô đƣợc cô đặc đến nồng độ chất khô > 71% bằng hệ thống cô đặc chân không. Độ chân khơng của thiết bị (pck) trong khoảng 650÷ 680mmHg, nhiệt độ sôi của dung dịch trong thiết bị (ts) trong khoảng 60÷650C.
Sirơ sau khi cơ đặc đƣợc đƣa vào các thùng chứa sản phẩm hoặc can nhựa để tồn trữ hoặc xuất bán sản phẩm.
Thùng chứa sản phẩm phải đặt ở nơi thoáng mát, khô ráo, nhiệt độ không quá 300C. Mật tinh bột đƣợc đóng thành bao 50kg (bao 2 lớp PE bên trong PP bên ngồi) hoặc đóng vào các xơ nhựa 25kg, 50kg.
2.5. Công nghệ sản xuất sirơ có chứa maltose, sirơ giàu fructose
2.5.1. Sơ đồ tổng quát
42
theo phƣơng pháp thủy phân bằng enzyme đƣợc trình bày ở hình 2.11.
2.5.2. Sản xuất sirơ có chứa maltose
a) Các ứng dụng của sirơ maltose
Trong công nghiệp bánh nƣớng, sirô maltose đƣợc bổ sung vào thực đơn sản xuất, nhờ các tính chất dễ lên men của nó tạo kết cấu tốt cho sản phẩm. Bánh mỳ có bổ sung ít sirơ maltose sẽ có độ đàn hồi tốt hơn, có vỏ mỏng hơn và giữ đƣợc độ tƣơi trong thời gian dài.
Đối với sản phẩm dạng kem và các sản phẩm đông lạnh, sirô maltose ngăn cản sự kết tinh của saccharose và lactose, cải thiện kết cấu (tăng độ mịn, độ chắc của kem và tính chất mƣợt mà của sản phẩm). Sirô maltose là chất ngọt lý tƣởng đối với việc sản xuất kem lạnh trái cây và các loại nƣớc hoa quả ƣớp lạnh vì chúng loại trừ hoặc giảm đáng kể sự xuất hiện của nƣớc trên bề mặt sản phẩm.
Đối với các sản phẩm trái cây cô đặc nhƣ các loại mứt trái cây tẩm đƣờng và mứt cam, sirô maltose ngăn ngừa sự kết tinh của đƣờng, giữ đƣợc màu sắc tự nhiên của trái cây, bảo đảm một kết cấu phù hợp, một mùi thơm dễ chịu và làm nổi bật hƣơng vị.
b) Các loại sirô maltose
- Sirơ có hàm lƣợng maltose cao (40÷50DE, 40÷60% maltose, 2÷7% glucose (tính theo khối lƣợng)) có khuynh hƣớng khơng kết tinh, thậm chí dƣới 00C và tƣơng
Tinh bột 35% trong nước lạnh pH 6,5 40 ppm Ca2+ Sữa tinh bột Bacterial α-amylase 1500 U/kg 105oC, 5 phút Sự hồ hóa Hồ tinh bột (<1DE) Sự dịch h óa 95 oC, 2 gi ờ Dịch tinh bột (>1DE) 0,3%D-glucose 2% maltose 97,7% oligosaccharides Sự đƣờ ng h óa pH 5,5