Nhóm 6: ỨNG DỤNG TINH BỘT TRONG SẢN XUẤT TINH BỘT BIẾN TÍNH I. Tinh bộtTinh bột tiếng Hy Lạp là amidon công thức hóa học: (C6H10O5)n) là một polysacarit carbohydrates chứa hỗn hợp amylose và amylopectin, tỷ lệ phần trăm amilose và amilopectin thay đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, tỷ lệ này thường từ 20:80 đến 30:70. Tinh bột có nguồn gốc từ các loại cây khác nhau có tính chất vật lí và thành phần hóa học khác nhau. Chúng đều là các polymer carbohydrat phức tạp của glucose (công thức phân tử là C6H12O6). Tinh bột được thực vật tạo ra trong tự nhiên trong các quả, củ như: ngũ cốc. Tinh bột, cùng với protein và chất béo là một thành phần quan trọng bậc nhất trong chế độ dinh dưỡng của loài người cũng như nhiều loài động vật khác. Ngoài sử dụng làm thực phẩm ra, tinh bột còn được dùng trong công nghiệp sản xuất giấy, rượu, băng bó xương. Tinh bột được tách ra từ hạt như ngô và lúa mì, từ rễ và củ như sắn, khoai tây, dong là những loại tinh bột chính dùng trong công nghiệp.Hồ tinh bộtThuốc thử tinh bột là iốt. Khi gặp iốt, tinh bột sẽ cho màu xanh dương.• CẤU TRÚC TINH BỘTTinh bột là một cacbohydrat cao phân tử bao gồm các đơn vị D – glucozo nối với nhau bởi hoặc α – glicosit. Công thức phân tử gần đúng là (C6H1005)n trong đó n có giá trị từ vài trăm đến khoảng mươi nghìn. Tinh bột có dạng hạt màu trắng tạo bởi hai laoij polime là amilozo và amilopectinAmilozo là polime mạch thẳng gồm các đơn vị D – glucozo liên kết với nhau bởi liên kết hoặc α – 1,4 glicosit (hình 1)Amilopectin là polime mạch nhánh, ngoài chuỗi glucozo thông thường còn có những chuỗi nhánh liên kết với chuỗi chính bằng liên kết α – 1,6 glicosit (hình 2).Các hạt tinh bột là nhưng tinh thể đa hình phụ thuộc vào nguồn gốc xuất xứ trong đó hai loại polime được sắp xếp đối xứng xuyên tâm. Bên trong hạt tinh bột có phần kết tinh do amilozo và phần phân nhánh của amilopectin tạo thành làm cho chúng không tan trong nước lạnh và tương đối chơ với các enzyme thủy phân.II.TINH BỘT BIẾN TÍNH.a.Khái niệm tinh bột biến tínhTinh bột ở dạng không biến tính, khi sử dụng trong công nghiệp thực phẩm bị hạn chế. Nhược điểm của tinh bột tự nhiên thể hiện ở tính chảy tự do hay tính kị nước của hạt tinh bột, tính không hòa tan, tính kém trương nở, độ nhớt tăng trong nước lạnh, sự tăng quá hay không điều chỉnh được độ nhớt sau khi nấu. sự dính kết hay tạo hỗn hợp giống cao su đối với những loại tinh bột đã nấu đặc biệt là ngô nếp, khoai tây, tinh bột sắn, tính dẽ thoái hóa khi kéo dài thời gian đun nóng hay giảm pH, độ kém trong Vì vậy để có những lạo hình tinh bột phù hợp theo yêu cầu sử dụng người ta tiến hành biến tính tinh bột. Biến tính tinh bột là quá trình làm thay đổi cấu trúc phân tử của tinh bột, tạo ra các phân tử polysaccharide có mạch ngắn hơn hay gắn các chất, các nhóm khác vào phân tử tinh bột dưới tác dụng của các tác nhân như nhiệt độ, acid, enzyme, các chất oxy hóa dẫn đến làm thay đổi cấu trúc vật lý, hóa học của tinh bột.Dựa trên bản chất những biến đổi xảy ra trong phân tư tinh bột, kovalxkaia chia tinh bột biến tính bằng hóa chất thành hai loại: tinh bột cắt và tinh bột bị thay thế.Tinh bột cắt: trong phân tử tinh bột xảy ra hiện tượng cắt liên kết C – O giữa các monome và những liên kết khác, giảm khối lượng phân tử, xuất hiện một số liên kết mới trong và giữa phân tử. Cấu trúc hạt tinh bột của phân tử có thể bị phá vỡ ít nhiều. Nhóm tinh bột này có rất nhiều ứng dụng như tinh bột biến tính bằng axit dùng để phủ giấy, tăng độ bền của giấy, cải thiện chất lượng in Trong công nghiệp thực phẩm tinh bột này được dùng để chế tạo gel trong sản xuất bánh kẹo.Tinh bột oxi hóa cũng được xếp vào nhóm này. Một số loại tinh bột được oxi hóa bởi KMnO4 trong môi trường axit được sử dụng để thay thế aga, pectin trong sản xuất bánh kẹo, kem, các sản phẩm sữa cũng như trong đồ hộp. Các sản phẩm oxi hóa yếu cũng được sử dụng trng sản xuất bánh mì để làm tăng khả năng giữ khí của bột nhào, giảm thời gian lên men và tăng chất lương của bánh. Tinh bột oxi hóa bởi hypoclorit, H2O2, HI và muối của nó được sử dụng rộng rã trong công nghiệp giấy.Tinh bột thay thế: là nhóm tinh bột mà tính chất của chúng thay đổi do các nhóm hydroxyl ở cacbon 2, 3 và 6 liên kết với các gốc hóa học hay đồng trùng hợp với một hợp chất cao phân tử khác, hoặc hai mạch polisaccarit có thể được gắn vào nhau do các liên kết dạng cầu nối.Mức độ tinh bột biến tính được đặc trưng bởi độ thế (Degree of substitution – DS). DS là số nhóm hydroxyl bị thế trên một AGU (Ahydrous Glucose Unit). Như vậy độ thế có giá trị trong khoảng 0 – 3.Trong trường hợp này tính chất của tinh bột bị thay đổi một cách rõ rệt. Thông thường tinh bột loại này có độ nhớt và độ bền kết dính cao ( được sử dụng để sản xuất các sản phẩm cần bảo quản) như tinh bột axetat, tinh bột photphat, tinh bột oxi hoa.Tinh bột biến tính được đánh số và đặt tên theo các nhóm sau1401 tinh bột Acid xử lý 1402 tinh bột xử lý kiềm 1403 tinh bột tẩy trắng 1404 tinh bột oxy hóa 1405 Tinh bột, men điều trị 1410 Monostarch phosphate 1411 Distarch glycerol 1412 Distarch phosphate este hóa với natri trimetaphosphate 1413 Phosphated distarch phosphate 1414 acetyl phosphate distarch 1420 Tinh bột acetate este hóa với acetic anhydride 1421 Tinh bột acetate este hóa với vinyl acetate 1422 acetyl hóa adipate distarch 1423 acetyl hóa glycerol distarch 1440 Hydroxypropyl tinh bột 1442 Hydroxypropyl distarch phosphate 1443 Hydroxypropyl distarch glycerol 1450 Tinh bột natri succinat octenyl b, Mục đích của biến tính tinh bột- Thay đổi cấu chúc tinh bột nhằm đáp ứng một nhu cầu nào đó- Tăng giá trị sử dụng của tinh bột- Tạo nhiều sản phẩm đa dạng từ tinh bột c, Ứng dụng của biến tính tinh bột- Tinh bột biến tính dùng trong công nghiệp thực phẩm là: chất độn trong nước sốt, đồ hộp , đồ uống, bánh kẹo,sữa bột,dùng trong sản xuất thú y,công nghiệp dệt,công nghiệp giấy.- Tinh bột biến tính dạng keo được dùng để sản xuất các sản phẩm cần chất dính như tem,hình hoặc thẻ dán có lớp keo phía sau, nhãn vở, bao thư…- Việc tạo gel có thể sản xuất ra các sản phẩm có cấu trúc mềm mượt .dạng mượt dùng để nấu súp và nước xốt, dạng mềm làm bánh táo hoặc pizza.III. Các phương pháp biến tính tinh bột1. Biến tính tinh bột bằng phương pháp vật lýBiến tính tinh bột bằng phương pháp vật lí :là phương pháp biến tính tinh bột bằng phương pháp thuần túy dùng các lực vật lí như ép ,nén và hồ hóa tác dụng lên tih bột để làm thay đổi một số tinh chất của nó nhằm phù hợp với nhưng ứng dụng sản phẩm tinh bột biến tính của phương pháp này là những tinh bột hồ hóa , tinh bột xử lí nhiệt ẩm .Biến tính tinh bột bằng phương pháp vật lí :a,Trộn với chất rắn trơ.Tinh bột có ái lực với nước nhưng nếu hòa rực tiếp vào nước thì sẽ bị vón cục . Có thể làm cho tinh bột phân tán tốt vào nước nếu đầu tiên đem trộn nó với chất rắn trơ. Khi trộn đồng đều sẽ làm cho các hạt tinh bột cách biệt nhau về vật lí do đó sẽ cho phép chúng hydrat hóa 1 cách độc lập và không kết thành cục .b,Biến hình bằng hồ hóa sơ bộ.Tinh bột ban đầu được hồ hóa trong nước ,sau đó sấy phun hoặc sấy thùng quay . Dưới tác dụng nhiệt ẩm làm đứt các liên kết giữa các phân tử , làm phá vỡ cấu trúc của các hạt tinh bột khi hồ hóa . Tinh bột hồ hóa sơ bộ có những tính chất sau :- Trương nhanh trong nước - Biến đổi chậm các tính chất khi bảo quản - Bền khi ở nhiệt độ thấp - Có độ đặc và khả năng giữ nước , giữ khí tốt Do đó người ta thường dùng tinh bột hồ hóa sơ bộ này trong mọi trường hợp khi cần độ đặc , giữ nước mà không cần nấu . Tinh bột loại này nếu đi từ tinh bột amilopectin thì sẽ làm tăng độ “tươi” cho sản phẩm ,tăng độ trong suốt , độ dàn hồi cũng như làm bền độ nhớt . Dùng tinh bột hồ hóa sơ bộ còn tránh làm tổn thất các chất bay hơi trong bánh ngọt , giữ được chất béo và bảo vệ chất béo tránh khỏi bị oxi hóa khi sấy khô, liên kết ẩm và ổn định ẩm trong các sản phẩm thịt. Ete oxit của tinh bột dưới dạng hồ hóa sơ bộ được sử dụng trong sản xuất kem rất có hiệu quả .Amiloza hoặc tinh bột giàu amiloza( trên 60% amiloza) nếu khuếch tán vào nước dưới áp suất cao hơn áp suất khí quyển rồi sau đó sấy khô thì không bị thoái hóa .Người ta thường thêm tinh bột hồ hóa sơ bộ vào các dung dịch khoan 1 lượng nước cần thiết .c,Phá hủy tinh bột bằng lực cơ học Khi các hạt tinh bột ẩm ( với các hàm ẩm khác nhau) được nghiền hay chịu tác dụng của một áp suất , tỷ lệ vô định hình trong cấu trúc tinh thể của hạt tăng lên, kết quả là khả năng phân tán và trương nở trong nước lạnh cũng tăng lên . Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột loại này giảm khoảng 5~10 ‘C , hạt tinh bột cũng dễ bị thủy phân bởi enzym hơn do gia tăng khả năng xâm nhập của enzym thông qua các rãnh vô dịnh hình . Trong bột bánh được làm từ tinh bột loại này , nước được hấp thụ nhiều và nhanh hơn , tỷ lệ amylose bị thủy phân cũng cao hơn .d.Tinh bột ép đùn Trong quá trình ép đùn , cấu trúc xoắn kép double helix của amylose có sự thay đổi về khoảng cách giữa các chuỗi , tinh bột ép đùn dễ phân tán , tan tốt và có độ nhớt thấp hơn tinh bột thông thường .Sự phân hủy một phần mạch amylose cho tháy các thay đổi về mặt hóa học vẫn xuất hiện ở nhiệt độ cao của quá trình ép đùn (185-200) . Sản phẩm tạo ra có maltose, isomaltose, gentibiose, sophorose và 1g,6-anhydroglucopyranose.e,Biến hình tinh bột bằng gia nhiệt khô ở nhiệt độ caoDextrin là sản phẩm phân giải nữa vời của tinh bột . Thực tế pirodexxtrin thu được khi gia nhiệt tinh bột khô ở nhiệt độ 175-195’C trong thời gian 7-18h.Phương pháp chế tạo pirodexxtrin như sau :- Phun axit ( với lượng 0.05-0.15% trọng lượng tinh bột ) và tinh bột có độ ẩm khoảng 5%. Có thể dùng ALCL3 làm chất xúc tác .Cũng có thể cho thêm các tác nhân kiềm tính như Canxi phophat, Natri bicabonat hoặc Tritanolamin làm chất đệm ( để làm giảm bớt độ axit khi ở nhiệt độ cao ). Sau khi sấy nhẹ tinh bột đến độ ẩm khoảng 15% thì tiến hành dextrin hóa trong thiết bị trộn có gia nhiệt bằng hơi , bằng dầu hoặc đốt nóng trực tiếp . Dextrin hóa xong thì làm nguội . Khi dextrin hóa thường xảy ra 2 phản ứng sau:- Phân giải tinh bột thành sản phẩm có khối lượng phân tử thấp hơn- Phản ứng tái trùng hợp các sản phảm rồi mới tạo thành ở trên chủ yếu bằng liên kết 1-6 tạo cấu trúc có độ phân nhánh caoở giai đoạn đầu phản ứng thủy phân là chủ yếu, nên độ nhớt của tinh bột bị giảm rất mạnh. Khi tăng nhiệt độ lên thì phản ứng tái trùng hợp mới thành phản ứng chính.Ngoài ra ở nhiệt độ cao còn xảy ra phản ứng chuyển glucozit: các liên kết 1-4 không bền trong amiloza lúc này chuyển thành liên kết 1-6 bền hơnDưới tác dụng của nhiệt độ, tinh bột đã bị biến hình một cách sâu sắc do đó nhiều tính chất cũng bị thay đổi theo, độ hòa tan tăng, hàm lượng dextrin tăng, đường khử tăng rồi giảm, độ nhớt giảm, màu sắc thay đổi. phụ thuộc vào nhiệt độ ta sẽ thu được dextrin trắng (95-120 độ C) . dextrin vàng 120-180 độ C, pirodextrin 170-195 độ C.+ dextrin trắng có độ hòa tan cao trong nước lạnh có sự thay đổi từ 0%-90% và có mức độ phân nhánh trung bình xấp xỉ 3%+ dextrin vàng thường có màu vàng nhạt đến nâu sẫm và có độ hòa tan đáng kể, có mức độ phân nhánh trên 20%+pirodetrin có mức độ phân nhánh từ 20%-25% và có khối lượng phân tử lớn hơn dextrin vàng nên dung dịch cũng bền hơnDung dịch dextrin có khả năng tạo màng, dính kết các bề mặt đồng nhất và không đồng nhất. thường dùng dixtrin làm chất liên kết và chất keo dính để pha sơn. Do dixrtrin có độ nhớt thấp dùng ở nhiệt độ cao mà vẫn bền. độ hòa tan trong nước lạnh của dixtrin cao hơn tinh bột, thường dùng dixtrin trắng, vàng và piroditrin để pha keo dán phong bì, bìa cat tông, dán nhãn chai, băng dính.Keo dixtrin có tham có phụ gia làm biến đổi tính chất của màng dixtrin. Natri tetraborat là một trong những phụ gia được dùng rộng rãi cùng với dextrin, có thể thêm borat đến 20% khối lượng của keo. Tham borat làm tăng độ nhớt của dung dịch dextrin tăng độ bền và khả năng dính của nó. Đường, mật rỉ, glyxerin và các chất polyhidroxit tham vào keo dextrin để tăng tính dẻo của màng và giảm độ giòn khi độ ẩm thấp. các dextrin được dùng để hồ sợi.Pirodextrin còn được dùng làm chất làm đặc thuốc nhuộm sợi dùng làm dung môi và chất mang chất màu.2. Biến tính tinh bột bằng phương pháp hóa học Là phương pháp sử dụng những hóa chất cần thiết nhằm thay đổi tính chất của tinh bột , sản phẩm chủ yếu của phương pháp biến tính hóa học là những tinh bột xử lý axit, tinh bột ete hóa , ete hóa , photpho hóaCác phương pháp hóa học trong công nghiệp biến tính tinh bột : +biến tính bằng kiềm +biến tính bằng axit +biến tính bằng oxi hóa + biến tính bằng xử lí tổ hợp để thu nhận tinh bột keo đông +biến tính bằng cách tạo liên kết ngang + biến tính bằng cách gắn them nhóm phosphate.Tinh bột –H+ đứt liên kết trong phân tử tinh bột kích thước phân tử giảm tinh bột biến tínhTrong sản xuất công nghiêp, người ta cho khuếch tán tinh bột ( huyền phù tinh bột 12-15bx) trong dd axit vô cơ có nồng độ 1-3% ; rồi khuấy đều ở nhiệt độ 50-55 độ C trong 12-14h . Sau đó trung hòa, lọc rửa và sấy vôiTính chất : +giảm ái lực với iot +độ nhớt đặc trưng bé hơn +áp suất thẩm thấu cao hơn +khi hồ hóa trong nước nóng hạt trương nở kém hơn + trong nước ấm có nhiệt độ thấp hơn, nhiệt độ hồ hóa thì độ hòa tan cao hơn + nhiệt độ hồ hóa cao hơn +chỉ số kiềm cao hơn1. Phương pháp biến tính bằng axit Có 2 phương pháp :+ biến tính bằng axit trong môi trường ancol +biến tính bằng axit trong môi trường nước a,Biến tính bằng axit trong môi trường ancol Ưu điểm : tạo ra những sản phẩm tinh bột mạch ngắn hơn , các dextrin hoặc các đường Nhược điểm: + trong môi trường ancol như etanol hoặc methanol , phản ứng thủy phân làm biến dạng tinh bột diễn ra chậm hơn so với môi trường trong nước + biến tính trong môi trường etanol , methanol đắt tiền , tái chế phức tạp , thời gian dài, tốn nhiều thiết bị , giá thành cao b, Biến tính bằng axit trong môi trường nước Tinh bột, ddHCl0.5NTinh bột hòa trộn biến hình (50 độc C)DdNaOH 1N trung hòaNước lọc rửa nước lọc =>Sấy (45-50) =>Nghiền => Rây => Thành phẩm2. Biến tính tinh bột bằng kiềmTrong môi trường kiềm, tinh bột hòa tan rất dễ vì kiềm làm ion hóa từng phần và do đó làm cho sự hydrat hóa tốt hơnKiềm có thể phá hủy từ đầu nhóm cuối khử thông qua dạng entolSự phá hủy kiềm cũng có thể có thể xảy ra ngẫu nhiên ở giữa mạch nhất là khi có mặt oxi và có gia nhiệt độ3. Biến tính bằng oxi hóaNước huyền phù tinh bột ddNaOH0,01N (33-44%) Oxi hóa ddNaOCl chứa 6% clo tự doKhuấybiến hình (30 Oc; T=4-6h)TrộnHCl0.01Ntrung hòa (Ph=6-6,5)Na2H2O3tách clo tự do 0,01N Li tâm , rửa nhiều lầnSấy, nghiền, rây, thành phẩmĐặc điểm : +nét đặc trưng của tinh bột đã đc oxi hóa là độ trắng , tinh bột càng trắng thì mức độ oxi hóa càng cao +nếu mức độ oxi hóa khá cao thì hạt trong quá trình hồ hóa bọ phá hủy hoàn toàn và tạo ra dd trong suốt Ứng dụng : +hồ bề mặt trong công nghiệp sản xuất giấy +hồ sợi bong , sơi pha và tơ nhân tạo trong công nghiệp dệt +chất làm đặc trong công nghiệp thực phẩm 4.Biến tính bằng xử lí tổ hợp để thu nhận tinh bột keo đông Huyền dịch tinh bột ddHCl10%Khuấy đều liên tục (42- 45 độ C)Hỗn hợp KMnO4 5%Cất giữ mất màu Gạn rửa sản phẩm5. Biến tính tinh bột bằng cách tạo liên kết ngangTinh bột sẽ thu được tính chất mới khi cho tác dụng với axit boric . Khi đó, 4 nhóm OH của 2 mạch tinh bột nằm gần nhau sẽ tạo thành phức với axit boric . Nói cách khác , khi đó giữa các mạch polyglucozit sẽ tạo ra các lk ngang Tinh bột thu được sẽ dai hơn, giòn và cứng hơnỨng dụng : +thành phần của dung dịch sét để khoan dầu mỏ +thành phần của sơn , của gốm +làm chất kết dính cho các viên than +làm chất mang các chất điện li trong pin khô6. Biến tính bằng cách gắn them nhóm phosphate Gắn them 1 nhóm chức acid tinh bột phosphate H3P04 Được este hóa với nhóm OH Của tinh bộtGắn 2 nhóm chức axit tinh bột phosphate 2 tinh bột H3PO43.biến tính tinh bột băng phương pháp thủy phân bằng enzyme.a.Định nghĩa:Ngày nay, khi khoa học phát triển, có rất nhiều phương pháp thủy phân tinh bột khác nhau như phương pháp vật lý, phương pháp hóa học, phương pháp thủy phân,… ở đây, chúng ta chỉ xét phương pháp thủy phân tinh bột bằng enzyme do phương pháp này phổ biến là được áp dụng rông rãi nhất hiện nay.b.Thủy phân tinh bột bằng enzyme:Thủy phân là một quá trình hóa học trong đó một phân tử bị phân cắt khi có mặt của phân tử nước. Một phần của phân tử sau khi cắt sẽ tương tác với cation H+ từ phân tử nước, phần khác sẽ liên kết với anion OH- còn lại.Phương pháp thủy phân bằng enzyme: là phương pháp biến tính tinh bột tiên tiến hiện nay, cho sản phẩm tinh bột biến tính chọn lọc không bị lẫn những hóa chất khác. Sản phẩm của phương pháp này là các loại đường glucose, fructose; các poliol như sorbitol, mannitol; các axit amin như lysin, MSG, các rượu, các axit. c.Các enzyme sử dụng trong thủy phân tinh bột:Là các enzyme thuộc hệ enzyme amylase. Emzyme thuộc hệ amylase là enzymexúc tác thủy phân liên kết glucoside nằm trong chuỗi polysaccharide và tinh bột.Enzyme thuộc hệ enzyme amylase gồm có α-amylase (enzyme dịch hóa) và γ-amylase (enzyme đường hóa).Quá trình thủy phân bởi α-amylase là một quá trình đa giai đoạn:Giai đoạn đầu: dưới xúc tác của enzyme α-amylase thì các chuỗi polysaccharide được thủy phân nhanh để tạo thành các dextrin phân tử lượng thấp. Vì thế độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh nhưng độ ngọt tăng không đáng kể.Giai đoạn 2: các dextrin vừa được hình thành sẽ được thủy phân tiếp theo thành các phần tử có trọng lượng nhỏ hơn hoặc là các đường nhưng với tốc độ chậm. Trong giai đoạn này độ ngọt của dịch thủy phân tăng nhanh nhưng với tốc độ chậm. Trong giai đoạn này độ ngọt của dịch thủy phân tăng nhưng quá trình thủy phân sâu sắc thành đường bởi các enzyme này chậm và không triệt để.Tính chất sinh học và cách thức tác dụng của α-amylase phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme và bản chất của cơ chất.Ví dụ:α-amylase từ vi khuẩn (Termamyl) α-amylase từ nấm mốc (Fungamyl)+ khả năng chịu nhiệt cao: 95-105°C.+ vùng pH hoạt động: 6,0-6,5+ đặc tính dextrin hóa nổi trội (sản phẩm thủy phân phần lớn là dextrin)+ khả năng chịu nhiệt kém: 60-65°C.Vùng pH hoạt động: 5,0-5,5.+ có đặc tính đường hóa cao hơn.Khác với α-amylase, γ-amylase có khả năng thủy phân liên kết 1-4 glucoside và tách tuần tự từng đơn vị glucose một ra khỏi đầu không khử của chuỗi mạch polysaccharide. Vì vậy, quá trình thủy phân của γ-amylase là một quá trình đơn giai đoạn. Suốt trong quá trình thủy phân, độ ngọt của dịch thủy phân tăng đều đặn nhưng độ nhớt giảm chậm.Các chế phẩm γ-amylase bán trên thị trường chủ yếu được sản xuất từ nấm mốc: AMG, Sansuper nên khả năng chịu nhiệt kém. Nhưng lại chịu được acid.*Cơ chế tác động:Trong phản ứng có sự xúc tác của enzyme, nhờ sự tạo thành phức hợp trung gian enzyme - cơ chất mà cơ chất được hoạt hóa. Khi cơ chất kết hợp vào enzyme, do kết quả của sự cực hóa, sự chuyển dịch của các electron và sự biến dạng của các liên kết tham gia trực tiếp vào phản ứng dẫn tới làm thay đổi động năng cũng như thế năng, kết quả là làm cho phân tử cơ chất trở nên hoạt động hơn, nhờ đó tham gia phản ứng dễ dàng.Năng lượng hoạt hóa khi có xúc tác enzyme không những nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp không có xúc tác mà cũng nhỏ hơn so với cả trường hợp có chất xúc tác thông thường.Nhiều dẫn liệu thực nghiệm đã cho thấy quá trình tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất và sự biến đổi phức hợp này thành sản phẩm, giải phóng enzyme tự do thường trải qua ba giai đoạn theo sơ đồ sau:E + S → ES → P + E[Trong đó E là enzyme, S là cơ chất (Substrate), ES là phức hợp enzyme - cơ chất, P là sản phẩm (Product)Giai đoạn thứ nhất: enzyme kết hợp với cơ chất bằng liên kết yếu tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất (ES) không bền, phản ứng này xảy ra rất nhanh và đòi hỏi năng lượng hoạt hóa thấp;Giai đoạn thứ hai: xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các liên kết đồng hóa trị tham gia phản ứng.Giai đoạn thứ ba: tạo thành sản phẩm, còn enzyme được giải phóng ra dưới dạng tự do.Các loại liên kết chủ yếu được tạo thành giữa E và S trong phức hợp ES là: tương tác tĩnh điện, liên kết hydrogen, tương tác Van der Waals. Mỗi loại liên kết đòi hỏi những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi có nước.d.Vai trò của enzyme trong thủy phân tinh bột:Thủy phân tinh bột tạo ra đường, từ đường có thể tạo ra những sản phẩm khác nhau là cơ sở chính để sử dụng tinh bột trong công nghiệp. Sự phân cắt tinh bột bởi enzyme thường đặc hiệu hơn, có thể tạo ra những sản pẩm đặc thù, không thể thu được bằng phương pháp acid, phản ứng nhanh hơn, công nghệ đơn giản hơn và ít gò bó hơn.Tinh bột của các loại ngũ cốc có màng tế bào bảo vệ nên enzyme amylase không thể tác dụng trực tiếp được. Khi nghiền nguyên liệu chỉ một phần rất ít màng tế bào bị phá vỡ, phần lớn màng tế bào còn lại sẽ ngăn cản sự tiếp xúc của enzyme amylase với tinh bột. Mặt khác, tinh bột sống ở trạng thái không hòa tan, amylase tác dụng lên tinh bột rất chậm và kém hiệu quả. Vì vậy, mục đích của quá trình dịch hóa là phá vỡ tinh bột và biến tinh bột thành trạng thái hòa tan. Dịch hóa xong, tinh bột trong dịch đã chuyển sang trạng thái hòa tan nhưng chưa thể lên men trực tiếp được mà phải trải qua quá trình thủy phân do tác dụng của amylase để biến tinh bột thành đường.e.Quy trình: Dịch hóa tinh bột:+ mục đích: chuyển hệ huyền phù của hạt tinh bột thành dạng dung dịch hòa tan dextrin có nhiều mạch ngắn hơn.+ nhiệt độ hồ hóa trên 100°C: α-amylase của vi khuẩn Bacillus Licheniformis giúp giảm nhiệt độ hồ hóa nhưng phải ở môi trường có pH > 5,9. + trong quá trình dịch hóa, pH phải được điều chỉnh về vùng trung tính, thêm Ca2+ để tăng độ bền enzyme.+ các enzyme α-amylase được lấy từ:o Vi khuẩn Bacillus Subtilis: chịu nhiệt ở 80-85°C.o Vi khuẩn Bacillus Licheniformis, vi khuẩn Bacillus Stearothermophilus: chịu nhiệt ở 90-100°C.+ phương pháp thủy phân 2 lần để tăng khả năng lọc của sản phẩm.Bước 1: enzyme bền nhiệt được sử dung để thủy phân tới DE = 4-8. Sau đó đun tới 140°C.Bước 2: thêm enzyme vào thủy phân ở 95-100°C.+ các phương pháp dùng enzyme:• Thủy phân, gia nhiệt, thủy phân.• Thủy phân ở nhiệt độ cao.• Thủy phân 2 lần, gia nhiệt 2 lần.• Thủy phân 2 lần, gia nhiệt một lần.• Dịch hóa ở nhiệt độ cao. Đường hóa tinh bột:Sau khi dịch hóa, chất dịch được thủy phân thành glucose, Maltose, Oligosaccharide dưới tác dụng của enzyme GA, α-amylase, β-amylase tùy vào tính chất của sản phẩm cuốiCơ chất dextrin DP 8-12.pH được điều chỉnh để dường hóa tiếp bằng GA.Mục đích của việc thay đổi pH là dừng phản ứng α-amylase để giữ mạch dài tối ưu và đưa pH về pH tối kích của enzyme đường hóa.Khó khăn của quá trình này là khả năng thủy phân kém liên kết α-1,6 glucoside của các enzyme đường hóa làm hiệu suất thủy phân thấp và hiện tượng chyển gốc glucose tạo ra các sản phẩm phụ như isomaltose. Do đó để tăng tỉ lệ đường hóa bằng cách sử dụng kết hợp enzyme. Khi đó hiệu suất thủy phân tăng lên 94-95,5%.e. Các sản phẩm của quá trình thủy phân tinh bột bằng enzyme:1. Dextrin:Dextrin là sản phẩm được tạo thành do sự thủy phân tinh bột mà giá trị tương đương dextrose (DE) đạt được nhỏ hơn 20. Dextrin có công thức tổng quát giống với cacbonhydrate nhưng chiều dài chuỗi ngắn hơn và mức độ phức tạp cũng thấp hơn.Dextrin có thể ở dạng polymer mạch thẳng, phân nhánh hay polymer mạch vòng (cyclodextrin).Dextrin là sản phẩm trung gian giữa tinh bột và đường đơn hay đường đôi. Bản chất là đường nên chúng tương đối được cơ thể dễ hấp thu hơn tinh bột. Dextrin được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì chúng không có độc tố và giá thành thấp. Được sử dụng như dịch keo có thể hòa tan trong nước như hồ dán, dùng làm tác nhân hóa dày trong chế biến thực phẩm và tác nhân kết dính trong dược phẩm. Đường malto-dextrin chủ yếu dùng làm thức ăn cho trẻ em, thực phẩm ăn kiêng với lượng nhỏ calo pha loãng (Janusz vaf Anna, 2004), làm chất thơm hay màu thực phẩm, dùng trong công nghiệp dược phẩm. Một số dextrin được sử dụng thay thế cho chất béo trong các sản phẩm như bơ và mỡ gầy. Trong công nghiệp rượu bia, dextrin được đưa vào để ổn định lượng dextrin trong sản phẩm, vừa là cơ chất cho quá trình lên men vừa tăng chất lượng, tạo cảm quan tốt cho sản phẩm. Trong y học, dextrin được pha chế với glucose 5%, NaCl 9‰ hay sorbitol 5% tạo dung dịch huyết tương, dung dịch này dùng để chữa trị cho bệnh nhân mất máu nhiều (Lê Hồng Phú, 2000).2. Các sản phẩm đường ngọt:*D.E (dextro equivalent) Là đại lượng chỉ khả năng khử so với chuẩn 100% ở đường glucose hay là số gram thương đương D-glucose trong 100g chất khô của sản phẩm.D.E được xác định bằng phương pháp so màu thuốc thử DNS (3,5-dinitro satilic acid) hay bằng phương pháp sắc kí.*Các sản phẩm đường ngọt từ tinh bột:Sản phẩm của quá trình thủy phân tinh bột bằng acid hoặc enzyme. Những sản phẩm có nhiều ứng dụng bao gồm glucose tinh thể hoặc dung dịch glucose, siro giàu fructose, siro giàu glucose và maltose, maltosedextrin và cyclodextrin. Các sản phẩm này được phân loại dựa trên D.E. Siro giàu glucose (glucose syrups)Khi tinh bột hoàn tất quá trình thủy phân bằng enzyme nó tách ra thành dextrose. Syrups là dung dịch cô đặc của hydrolysate. Phản ứng được kiểm soát ở nhiều giai đoạn trung gian khác nhau. Do đó glucose syrups bao gồm dextrose, maltose và một hỗn hợp các đường cao cấp hơn. Phân loại glucose syrups:- Malto – dextrin D.E dưới 20.- Low coversion syrups D.E khoảng từ 20-28- Regular conversion syrups D.E khoảng từ 38-42- High conversion syrups D.E khoảng 65- High maltose syrups D.E khoảng 40.Tinh bột sử dụng trong sản xuất syrups càng tinh khiết càng tốt với hàm lượng protein thấp, đặc biệt là protein hòa tan. Khi tinh bột không inh khiết, sự có mặt của các sản phẩm phá vỡ protein gây ra phản ứng Maillard với dextrose tạo màu nâu cho sản phẩm. (ứng dụng làm kẹo đường).Glucose syrups không thể bảo quản lâu dài vì syrups có thể bị hư hỏng .Phương pháp sản xuất glucose syrups trực tiếp từ hạt nguyên chất ngày càng phổ biến vì tiết kiệm chi phí hơn khi không phải dùng đến máy móc thiết bị cho quá trình phân chia tinh bột. Dextrose:Hầu hết dextrose được chế biến bằng quá trình enzyme – acid kết hợp với một tỉ lệ nhỏ tu được từ quá trình enzyme – enzyme.Dextrose là một loại đường kết tinh màu trắng tồn tại ở 3 dạng. dạng phổ biến nhất là α-D-glucosehydrate kết tinh từ dung dịch được cô cạn ở nhiệt độ thấp hơn 50°C.Dextrose có rất nhiều trong tự nhiên ở dạng tự do trong mật ong) hay kết hợp. Dextrose ít ngọt hơn succrose.Ứng dụng: ở Anh, dextrose greens được xem như có giá trị sử dụng trong sản xuất bia và rượu táo.f.Các yếu tố ảnh hưởng đến qua trình thủy phân tinh bột bằng enzyme:Như đã biết, tốc độ thủy phân tinh bột phụ thuộc vào sự tạo thành liên kết “enzyme – tinh bột”. sự tạo thành liên kết này là do hấp phụ lẫn nhau giữa các nhóm háo nước có trên bề mặt của các hạt tinh bột và enzyme như –COOH, -CHO, -OH, -CO, -NH2. –SH. Các nhóm này khi tác dụng lẫn nhau sẽ làm giảm năng lượng bề mặt, làm biến dạng các phần riêng biệt của phần tử amylose và amylopectin, cuối cùng dẫn đến làm đứt các noois glucoside để tạo ra các sản phẩm và giải phóng enzyme. Enzyme được giải phóng lại tiếp tục tạo liên kết mới va thực hiện nhiều chu trình tiếp theo.Mỗi enzyme chỉ có thể hoạt động tốt khi ở trạng thái nhất định. Trạng thái này phụ thuộc vào: nhiệt độ, pH và sản phẩm của môi trường phản ứng.- Ảnh hưởng của nhiệt độ:Tốc độ phản ứng enzyme cũng như các phản ứng hóa học khác đều tăng, giảm theo nhiệt độ. Tuy nhiên vì enzyme có bản chất protein nên khi tăng nhiệt độ đến một giới hạn nào đó thì vận tốc phản ứng enzyme sẽ bị giảm do sự biến tính của protein-enzyme. Trong khoảng nhiệt độ mà enzyme chưa bị biến tính thì hệ số truyền nhiệt của đa số enzyme vào khoảng 1,4 – 2 nghĩa là khi tăng nhiệt độ lên 10°C thì vận tốc phả ứng tăng lên 1,4 – 2 lần. khi bắt đầu có sự biến tính protein thì xảy ra hiện tượng: một mặt vận tốc phản ứng vẫn tăng theo sự tăng nhiệt độ, mặt khác tốc độ biếm tính protein cũng nhanh hơn. Kết quả là vận tốc phản ứng giảm dần đến đình chỉ hoàn toàn.Nhiệt độ mà tại đó tốc độ phản ứng đạt cao nhất được gọi là nhiệt độ tối ưu hay tối thích. Nhiệt độ mà tại đó enzyme bị mất hoàn toàn hoạt tính gọi là nhiệt độ tới hạn. nhiệt độ tối ưu lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố:+ trước hết, nhiệt độ tối ưu phụ thuộc vào nguồn gốc hệ amylase. Ví dụ: α – amylase của vi khuẩn chịu nhiệt có nhiệt độ tối ưu cao và đạt 95-105°C; nhưng α – amylase của thóc này mầm chỉ có nhiệt độ tối ưu là 73-76°C còn α – amylase của A.oryzae là 50-55°C.+ Nhiệt độ tối ưu phụ thuộc vào nồng độ cơ chất trong dung dịch. Ví dụ: với dung dịch 1% tinh bột, nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của amylase A.oryzae là 50°C. trong dung dịch 5% tinh bột, nhiệt độ tối ưu của amylase là 55°C. khi tăng nồng độ tinh bột lên 10% thì nhiệt độ tối ưu của amylase A.oryzae vẫn chỉ là 55°C. như vậy hoạt độ của enzyme sẽ được bảo vệ khi tăng nống độ cơ chất trong dung dịch nhưng chỉ trong giới hạn nhiệt độ xác định đối với mỗi enzyme.+ Nhiệt độ tối ưu còn phụ thuộc vào thời gain tác dụng. thời gian tác dụng lâu sẽ làm giảm khả năng chịu nhiệt của enzyme.+ nhiệt tối ưu cũng phụ thuộc vào pH của môi trường phản ứng và tăng cùng với pH trong giời hạn nhất định.-Ảnh hưởng của pH:Tất cả các protide đều lưỡng tính. Tính chất này phụ thuộc vào pH của môi trường, các nhóm acid hoặc kiềm của enzyme đều có khả năng ion hóa. Khi thay đổi pH môi trường sẽ xảy ra liên kết với H+ hoặc OH-. Do đó, mức độ ion hóa của nhóm này hoặc nhóm khác trong phân tử enzyme sẽ bị giảm. nếu nhóm đó đóng vai trò trung tâm hoạt động của enzyme thì sự tạo thành liên kết giữa enzyme – cơ chất sẽ bị ức chế và do đó ảnh hưởng tới quá trình thủy phân.pH có ảnh hưởng lớn tới vận tốc phản ứng enzyme, mỗi enzyme chỉ hoạt động thích hợp nhất ở một pH xác định gọi là pH hoạt động tối ưu của enzyme.-Ảnh hưởng của nồng độ enzyme:Sự thủy phân tinh bột là tổng các tác dụng của một số enzyme chứa trong thóc mầm, nấm mốc hoặc vi khuẩn. Mỗi hệ amylase đều có số lượng và hoạt độ khác nhau của từng enzyme. Khi tăng hoạt độ enzyme thì tốc độthủy phân tinh bột sẽ tăng và tỉ lệ với lượng enzyme đưa vào nhưng chỉ trong giai đoạn đầu khi bậc phản ứng bằng 0.Tùy theo chất lượng của chế phẩm enzyme amylase, tỷ lệ này có thể khác nhau và dao động trong giới hạn khá lớn. Tỷ lệ này cũng không cố định mà giảm dần theo trình độ công nghệ đạt được trong sản xuất chế phẩm amylase.IV.Quy trình chung sản xuất tinh bột biến tính2.1 Rửa*mục đích: chuẩn bị,làm sạch,loại bỏ một số tập chất,làm cho các tính chất nguyên liệu đạt yêu cầu,đảm bảo sản phẩm có chất lượng tốt.-phương pháp rửa xổi được ứng dụng phổ biến. nguyên tắc là phun nước lên nguyên liệu với một áp lực nhất định. Dưới tác dụng của nước,chất bẩn sẽ được tách ra và đi theo dòng nước.2.2 Ngâm hạt:* Mục đích:-chuẩn bị cho quá trình nghiền,-làm hạt ngô mềm,dễ nghiền,giúp phá hủy khuôn protit làm cho các hạt tinh bột thoát ra dễ dàng.- Ngâm là tách khoảng 2/3 lượng chất hòa tan, nâng cao hiệu suất thu hồi tinh bột và nâng cao chất lượng sản phẩm* phương pháp:- Có thể tiến hành ngâm ngô trong nước ở nhiệt độ thường, đến cuối quá trình ngâm có thể cho nước nóng chứa 0.18-0.25% H2SO3 vào bể ngâm ngô.- Có thể ngâm ngay trong dung dịch SO2 0.25% ở nhiệt độ 48-52oC.(vk lactic hoạt đông thích hợp ở 48-52oC chuyển hóa 1 phần gluxit thành axit lactic trong nước ngâm,làm mềm hạt)-nếu ngâm hạt không đúng quy cách hay sau khi ngâm để nguội mới nghiền thì khó tách phôi vả tinh bột,vì vậy phôi dễ bị vụn nát,ít đàn hồi,2.3Nghiền sơ bộ (lần 1 và 2)* Mục đích: - Phá vở hạt thành mảnh để tách phôi dể dàng đồng thời thu được tỷ lệ tinh bột cao.* chế độ thích hợp,nghiền lần 1giải phóng được 75-85% phôi,20-25% tinh bột,lần 2 là 15-20% phôi,10-15%tinh bột.2.4 Tách phôi:*mục đích: tách phôi ra để tăng hàm lượng tinh bột trong tổng số chất khô.* Quá trình tách phôi dựa trên nguyên tắc về sự chênh lệch khối lượng riêng của phôi và ngô mảnh. Phôi chứa khoảng 50-55% chất béo (tính theo phôi khô) .2.5 Rây sữa tinh bột*mục đích:- chẩn bị cho quá trình nghiền-để khỏi nghiền lại tinh bột tự do,gluten và các phân tử cellulose nhỏ,giảm nhẹ tải lượng máy nghiền,sữa tinh bột trước khi nghiền mịn cần qua quá trình rây.2.6 Nghiền mịn Mục đích : sau khi tách phôi thu được sữa tinh bột mà phần rắn bao gồm các phân tử nhỏ, vỏ liên kết với nội nhũ,mành nội nhũ nguyên,các hạt tinh bột và các phần tử gluten.2.7 RâySữa tinh bột sau khi nghiền mịn là có thành phần chất rắn là xơ,tinh bột tự do và gluten.-Mục đích của quá trình rây và rửa bã là loại bỏ phần bã xơ,làm tăng hàm lượng tinh bột trong sữa tinh bột.-quá trình rây và rửa bã hoạt động theo nguyên tắc ngược dòng.và để hạn chế sự phát triển của vsv gây thối và lam bết bề mặt rây thì ta sử dụng nước bã có pha thêm dung dịch H2SO3 nồng độ 0.05%(PH=4.3-4.5) và nhiệt độ khoảng 50oC2.8 Tách gluten- Sữa tinh bột sau khi tinh chế có 2 thành phần chính là tinh bột và gluten*Mục đích của quá trình ly tâm là tách gluten ra khỏi sữa tinh bột-Để tách tinh bột khỏi gluten người ta dựa vào sự khác nhau về khối lượng riêng của các cấu tử trong sữa tinh bột,khối lượng riêng của tinh bột là 1.61kg/l, khối lượng riêng của gluten là 1.08kg/l.2.9 Tinh chế dịch sữa* mục đích:-Sữa tinh bột sau khi lắng tách gluten còn chứa rất nhiều chất hòa tan chủ yếu là protein và tro,nên đòi hỏi phải rửa nhiều lần để tách các chất hòa tan tối đa(có thể rửa từ 2 đến4 lần). nếu tinh bôt ướt sản xuất tinh bột khô thì phải rửa tinh bột 2 lần,Sản xuất mật rửa 3 lần và sản xuất glucóe tinh chế phải rửa 4 lần.- Để rửa tinh bột có thể dùng máy rửa chân không hay cyclon nước2.10 Ly tâm tách nước* Mục đích là giảm hàm ẩm của nguyên liệu trước khi đi vào thiết bị sấy, giup tiết kiệm thời gian và năng lượng*Nồng độ chất khô trong dịch sữa tinh bột tăng lên.2.11 Sấy tinh bột:*Mục đích là giảm hàm ẩm của sản phẩm và bảo quản sản phẩm.Làm yếu hay tiêu diệt vi sinh vật.*Sữa tinh bột sau khi rữa được đưa vào máy sấy, quá trình sấy thực hiện sao cho sau khi sấy hàm lượng ẩm còn lại trong tinh bột bắp là: 10 - 12%Phương pháp sấy tiết kiệm nhiên liệu nhất là sấy bằng không khí nóng. Tách phôi râyNghiền mịnrâyTách glutenTinh chế dịch sữaLy tâm tách nướcNướcglutenTinh bộtSấyxơTinh chế dịch sữa |
