Đề tài Cyclodextrine

Mục lục Phần I: Giới thiệu: I.Định nghĩa 2 II.Cơ chế hình thành 3 III. Tính chất 4 IV. Ứng dụng 4 Phần II: Nguyên liệu,chế phẩm enzyme 5 I.Nguyên liệu chính 5 1.Cấu tạo, hình dạng, kích thước 5 1.1 Hình dạng 5 1.2 Kích thước 6 1.3 Cấu tạo 6 2.Tính chất chức năng tinh bột 10 2.1 Độ tan và sự trương nở tinh bột 10 2.2 Tính chất thủy nhiệt và sự hồ hóa tinh bột 10 2.3 Tính chất nhớt dẻo của hồ tinh bột 12 2.4 Khả năng tạo gel và thoái hóa tinh bột 13 2.5 Khả năng tạo hình 14 3. Chỉ tiêu chất lượng 15 II.Nguyên liệu phụ 16 1.Nước 16 2.Dung môi 16 III.Chế phẩm enzyme 16 1.α-amylase 16 2.cyclodextrin glucanotransferase 17 3.glucoamylase 17 Phần III.Quy trình công nghệ 18 I.Sơ đồ khối 18 II.Giải thích quy trình 20 1.Quy trình 1 20 2.Quy trình 2 29 3.So sánh 2 quy trình 32 Phần IV.Sản phẩm và các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm 32 I.Khái quát chung 32 1.Độ độc 32 2.Tính chất trong thực phẩm 32 3.Khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng 33 4.Một vài sản phẩm thương phẩm cyclodextrin và dẫn xuất 33 II.β-cyclodextrin 37 III.α-cyclodextrin 38 IV.γ-cyclodextrin 40 Phần V.Thành tựu công nghệ 43 I.Sử dụng limonene làm dung môi 43 II.Các dẫn xuất từ cyclodextrin 43 III.Ứng dụng và phát triển mạnh mẽ trong công nghệ sinh học 43 Phần VI.Tài liệu tham khảo 44 Phần I :Giới thiệu chung: I.Định nghĩa Bên cạnh các sản phẩm tinh bột biến tính thường thấy, cyclodextrin là 1 sản phẩm đặc biệt từ tinh bột đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới. Từ năm 1892, Villiers đã tạo ra cyclodextrin từ tinh bột, sau đó Schardiger đã có nhiều nghiên cứu về cyclodextrin nên có thời gian cyclodextrin được gọi là “dextrin Schardiger”. Cyclodextrin (cyclomalto oligosaccharide, cyclic α-1,4-D-glucan) thuộc họ vòng oligosaccharides, cấu tạo từ 5 gốc α-D-glucopyranoside trở lên nối với nhau bằng liên kết 1,4 glucoside, tương tự như amylose trong tinh bột. Cyclodextrin cấu trúc đầy đủ bao gồm 32 liên kết 1,4-glucoside, trong khi đó đơn giản hơn là tạo thành dạng hỗn hợp, thậm chí có 150 vòng oligosaccharide. Các cyclodextrin cấu tạo các monomer là glucose vòng lại với nhau từ 6 đến 8 gốc, gồm 3 loại: α-cyclodextrin (cyclomalto-hexaose): vòng 6 gốc đường β-cyclodextrin (cyclomalto-heptaose): vòng 7 gốc đường γ-cyclodextrin (cyclomalto-octaose): vòng 8 gốc đường Cấu trúc không gian của γ-CD II.Cơ chế hình thành: Cyclodextrin đươc sản xuất chủ yếu từ tinh bột bằng cách sử dụng enzyme để biến đổi. Từ nhiều năm trước các chế phẩm từ cyclodextrin đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của thực phẩm, dược phẩm, công nghiệp hóa chất cũng như trong nông nghiệp và kỹ thuật môi trường. Cyclodextrin có thể được điều chế từ bất kì loại tinh bột nào như ngô, sắn, khoai tây… , có thể là tinh bột biến tính hoặc không biến tính có nguồn gốc từ ngũ cốc hoặc các loại củ có chứa các thành phần amilose và amilopectin.Tinh bột và maltodextrin được chuyển hóa dưới tác dụng của enzyme cyclodextrin- glucano-transferase (CGTase) thành hỗn hợp các đường oligosaccharide mạch thẳng và mạch vòng (cyclodextrin). Thông thường hàm lượng oligosaccharide mạch thẳng thường nhiều hơn, cyclodextrin chỉ chiếm 35-50%. Quá trình chuyển hóa tinh bột sẵn thành cyclodextrin có thể được thực hiện trong môi trường chứa dung môi hoặc không có dung môi. Các dung môi sẽ định hướng phản ứng, tạo ra các sản phẩm α-. β- hoặc γ-cyclodextrin khi có mặt tương ứng các dung môi như decanol, toluene và naphtholmethylethyl ketone. Trong trường hợp không sử dụng dung môi, hỗn hợp các sản phẩm sẽ tạo ra trong phản ứng. Khi sử dụng dung môi, sản phẩm sau phản ứng được lọc hoặc ly tâm, sau đó làm sạch và kết tinh. Trong trường hợp không sử dụng dung môi, sản phẩm được tinh sạch cô đặc sau đó kết tinh. Cyclodextrin được đóng bao 25 và 50 kg. Enzym thủy phân liên kết nhánh cũng được sử dụng để tăng hiệu suất sản xuất cyclodextrin từ amylopectin, tinh bột bắp và tinh bột sắn. Khi sử dụng thêm pullulanase từ Enterobacter aerogenes, hiệu suất thu β -cyclodextrin và α -cyclodextrin đạt tương ứng là 93% và 72%. Pullulanase còn thủy phân tinh bột tạo ra các đoạn glucan mạch thẳng có ái lực mạnh hơn đối với enzyme tạo vòng cyclodextrin. III. Tính chất: α-, β- và γ-cyclodextrin có nhiều tính chất vật lý khác nhau: khối lượng phân tử (α = 973, β = 1135 và γ = 1297), đường kính của cấu trúc vòng (α = 5 – 6 Ǻ, β= 7 – 8 Ǻ và γ = 9 – 10 Ǻ) và độ tan trong nước (ở nhiệt độ 25oC α = 14.5, β = 1.85 và γ = 23.2 g/100 ml H2O. Tăng nhiệt độ từ 25 đến 45 hoặc 60oC giúp tăng độ hòa tan của mỗi dạng cyclodextrin lên khoảng 2,5 đến 5 lần. Mức độ hòa tan trong các dung môi hữu cơ phụ thuộc vào loại dung môi sử dụng. Cyclodextrin bền với nhiệt độ lên tới 300oC và không bị thủy phân bởi kiềm thậm chí ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên nó bị thủy phân bởi acid và bị oxy hóa bởi các tác nhân oxy hóa. So với các oligosaccharide mạch thẳng, cyclodextrin tương đối bền với các tác dụng của amylase. Các exoenzym như glucoamylase hay β-amylase thường không thủy phân được cyclodextrin do không có các đầu không khử để bắt đầu phản ứng. Tuy nhiên, một vài endoenzym như α-amylase có khả năng thủy phân cyclodextrin thành đường glucose và một số oligosaccharide. Nói chung, cyclodextrin chỉ bị phân hủy chậm bởi 1 vài α-amylase từ B. subtilis, B. stearothemophilus, A. oryzae, amylase từ Flavobacterium sp., cyclodextrinase từ B. macerans và từ 1 vài loại nấm men như Lipomyces kononenkoae. Ngoài ra, α-cyclodextrin cũng có thể chuyển hóa ngược thành tinh bột phân tử lượng thấp DP 56-73 với hiệu suất 78% nhờ CGTase. IV.Ứng dụng: Cyclodextrin có khả năng tạo phức với 1 phân tử khác. Với các nhóm ưa nước ở bên ngoài và các nhóm kỵ nước bên trong, cyclodextrin có khả năng giữ phân tử mùi bên trong vòng cyclodextrin. Chính vì vậy mà nó thường được coi là “cái lồng của hương” tức là chất cố định mùi và được ứng dụng hết sức rộng rãi. Trong công nghiệp thực phẩm, cyclodextrin được sử dụng để phân tán hoặc che bớt mùi, như giảm mùi hôi của thịt, giữ hương thơm ở bánh trái, khử những tính chất không mong muốn như vị đắng trong nước chanh, các chất màu trong nước quả ép, caffein trong trà… trong công nghiệp chất dẻo, dầu thơm, mỹ phẩm, cyclodextrin được sử dụng để bảo vệ các phân tử dễ bị oxy hóa hay bị hư hỏng do ánh sáng và nhiệt độ. Trong dược phẩm, cyclodextrin được dùng để tăng độ hòa tan của thuốc và cho phép sử dụng thuốc với liều thấp hơn, cũng như kiểm soát việc giải phóng thuốc 1 cách từ từ trong thời gian dài hơn. Trong các thí nghiệm phân tích và chẩn đoán bệnh, cyclodextrin được dùng để hòa tan thuốc nhuộm, cơ chất và các chất chỉ thị. Cyclodextrin được sản xuất nhiều nhất tại Nhật Bản bởi nhiều hãng, trong đó lớn nhất là hãng Nihon Shokukin Kato với sản phẩm α-cyclodextrin có độ tinh sạch 98,5%. Cyclodextrin có thể coi là 1 sản phẩm tinh bột biến tính rất có tiềm năng sản xuất và ứng dụng rộng rãi trong tương lai. Phần II :Nguyên liệu,chế phẩm emzyme I.nguyên liệu chính: tinh bột 1. Cấu tạo, hình dạng, kích thước: phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt và quá trình sinh trưởng của cây. Hàm lượng tinh bột có trong một số loại thực phẩm: Khoai mì 95% Lúa gạo 75_80% Khoai tây 84% Đậu 60_66% Chuối 90% 1.1. Hình dạng: hình tròn, hình bầu dục, hình đa giác HÌNH DẠNG TINH BỘT KHOAI TÂY HÌNH DẠNG TINH BỘT GẠO HÌNH DẠNG TINH BỘT KHOAI MÌ 1.2. Kích thước: 2-10μm với các loại hạt nhỏ, 20-35μm với các hạt lớn. Kích thước các hạt khác nhau sẽ dẫn đến tính chất cơ lí khác nhau như nhiệt độ hồ hoá,… Hạt nhỏ có cấu trúc chặt, hạt lớn có cấu trúc xốp (Có thể dùng phương pháp lắng để phân chia một hệ thống tinh bột ra các đoạn có kích thước đồng đều để nghiên cứu). 1.3. Cấu tạo: Tinh bột không là hợp chất đồng thể mà gồm 2 polysacaride khác nhau: amilose và amilopectin. Cấu tạo bên trong của hạt tinh bột khá phức tạp .Hạt tinh bột có cấu trúc lớp, trong mỗi lớp đều có amilose(AM)và amilopectin(AP) sắp xếp theo phương hướng. Trong đa số tinh bột, tỉ lệ giữa AM/AP xấp xỉ ¼. Ngoại lệ: đậu xanh: 75%, nếp 90%; lúa mì, bắp: AM/AP=1/3; Dong, riềng:AM/AP=1/2. Cả amilose và amilopectin đều được cấu tạo từ monosacaride: glucose (α-D-glucose). Hình.Cấu tạo hạt tinh bột 1.3.1. Cấu tạo, tính chất của amilose: a. Cấu tạo: Phân tử lượng: 104-4.104 Mạch thẳng,chuỗi dài từ 500-2000 đơn vị glucose liên kết nhau bởi liên kết 1-4 glucoside→còn 1 đầu khử (còn 1 đầu có nhóm -OH glucoside). Ở trạng thái keo, phân tử amilose ở dạng xoắn nhờ liên kết hiđro. Một vòng xoắn gồm 6 glucose, đường kính vòng của xoắn là 12,97Ao,chiều cao là 7,19Ao.Các nhóm hydroxyl nằm bên ngoài hình xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H. b. Tính chất : - Độ hoà tan: Không hoà tan trong nước lạnh, dễ tạo dung dịch keo.Tốc độ tạo keo phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ, pH, nồng độ AM và phương pháp hoà tan. Amilose hoà tan dễ dàng trong kiềm loãng. Điều đáng chú ý là để hoà tan amilose cần có một lượng kiềm tối ưu, nồng độ cao hơn hay thấp hơn đều làm cho AM tạo keo. Amilose thường hoà tan trong các dung môi: Cloralhydrat, formamit, acid dicloaxetic, pirolidin, đimetylsulfoxit, axetamit, etilenđiamin, piperazin, axit formic, ure. Do amilose có khối lượng phân tử lớn và có mạch thẳng nên nồng độ của nó trong các dung môi thường lớn, dẫn đến dung dịch tạo thành có độ nhớt . Dung môi tốt nhất của amilose là dimetylsulfoxit,nếu dung môi khan thì có thể hoà tan được 50% khối lượng AM có độ ẩm 7-10%.Nhưng sau đó thêm nước vào thì AM lại kết tủa . - Tính lưu biến : Trong dung dịch các phân tử amylose có khuynh hướng liên kết lại với nhau tạo ra các tinh thể. Khi sự liên hợp xảy ra với tốc độ tối thiểu thì amylose sẽ tạo ra khối không tan của các hạt đã thoái hoá, khi tốc độ liên hợp cực đại thì dung dịch chuyển thành thể keo. Amylose đã thoái hoá không hoà tan trong nước lạnh, nhưng có khả năng hấp thụ nước lớn. Một số amylose có thể hấp thụ một lượng nước gấp 4 lần trọng lượng của chúng. Nếu để amylose trong lượng nước ít hơn 4 lần thì nước sẽ được hấp thu hoàn toàn còn amylose sẽ tạo ra thể keo xúc tiến. Ở nhiệt độ thường keo amylose là một khối trắng đục không thuận nghịch, không thấy có hiện tượng co. Nghiên cứu amylose dưới kính hiển vi, người ta thấy chúng có cấu trúc hạt rõ rệt, chứng tỏ có tính không tan của tiểu tinh thể. Như vậy sự khác nhau giữa tạo keo và thoái hoá chỉ là về mức độ định hướng. Độ bền của keo amylose do nồng độ và thời gian quyết định. Khi khô keo trở nên cứng, giòn và không thể quay lại trang thái ban đầu trong nước. Xác định độ nhớt của dung dịch amylose với nước thường khó, vì amylose sẽ không bền khi ở nhiệt độ được dùng để đo độ nhớt. Độ nhớt của amylose phụ thuộc vào nồng độ amylose, nồng độ kiềm. Độ nhớt đạt cực tiểu khi dung dịch kiềm ở nồng độ 1N. - Phản ứng với iod: I2 hấp thu vào giữa vòng xoắn cho dung dịch có màu xanh đặc trưng. Màu thay đổi theo độ dài mạch. - Khả năng tạo phức: Amilose còn có khả năng tạo phức với rất nhiều các hợp chất hữu cơ có cực cũng như không cực khác nhau: +các rượu no (như izoamylic, butylic, izopropylic) +các rượu vòng, các phenol +các ceton thấp phân tử +các acid béo dãy thấp cũng như axit béo dãy cao (stearic, oleic,…) +các ester mạch thẳng và mạch vòng +các hyđrocacbon thẳng và vòng +Các dẫn xuất benzene có nhóm andehyd +các nitropirafin,v.v.. Các chất tạo phức cũng chiếm vị trí giữa vòng xoắn tương tự như iod Các phức chất không bị tan trong nước, bị kết tủa hoặc kết tinh khi để yên dung dịch. Phức của vitamin A với amilose thường bền và ít bị oxi hoá. Do đó , người ta thường bảo vệ vitamin A trong thuốc cũng như trong thức ăn bằng cách cho nó tạo phức với amilose. 1.3.2. Cấu tạo, tính chất amilopectin: a. Cấu tạo : Phân tử lượng: khoảng 5.108 Mạch thẳng, phân nhánh, liên kết 1-4 glucoside (thẳng), 1-6 (nhánh). Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài của chuỗi mạch nhánh này khoảng 25-30 đơn vị glucose. Phân tử amilopectin có thể chứa tới 100000 đơn vị glucose. Còn duy nhất 1 nhóm -OH glucoside →còn tính khử b. Tính chất : Nhiệt độ hồ hoá cao hơn so với amilose và dung dịch có độ nhớt cao hơn Khi phản ứng của amilopectin với lectin (phản ứng đặc trưng): Lectin liên kết với gốc α-D-glucopiranozil nằm ở đầu cuối không khử của amilopectin thì sẽ làm cho AP kết tủa tách ra khỏi dung dịch .Liên kết giữa lectin với các gốc monosaccharide chủ yếu là liên kết hyđro. Phản ứng cho màu tím đỏ của amilopectin với iod xảy ra do kết quả của sự hình thành nên các chất hấp phụ . 1.3.3. Khả năng hấp thụ của hạt tinh bột: - Khả năng hút ẩm : Độ ẩm tương đối của không khí là 73%thì khả năng hút ẩm của tinh bột là 10%. Độ ẩm tương đối của không khí là 100%thì khả năng hút ẩm là 20,93%. - Khả năng hấp thụ các chất điện li hữu cơ: Tinh bột hấp thụ xanh metylen rất tốt.Tuy nhiên sự hấp thụ của tinh bột còn phụ thuộc vào cấu tạo bên trong của hạt và khả năng trương của chúng. Khả năng hấp thụ của tinh bột còn phụ thuộc vào các cation được liên kết với tinh bột .Các cation có ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ xanh metylen của tinh bột được phân bố theo dãy sau đây: Na+ >Mg2+>Ba2+>Ca2+ - Khả năng hấp thụ muối: Khả năng hấp thụ của tinh bột khoai tây lớn hơn của lúa mì và ngô (do độ xốp của tinh bột khoai tây tạo điều kiện cho các ion xâm nhập vào trong hạt dễ dàng hơn do đó cân bằng hấp thụ đạt được nhanh chóng hơn) Nhiệt độ tăng thì khả năng hấp thụ của tinh bột khoai tây bị giảm xuống,còn ở tinh bột lúa mì thì khả năng hấp thụ lại tăng lên đến một nhiệt độ nhất định. - Các ion chứa trong tinh bột khi xử lí tinh bột bằng các chất điện ly khác nhau có thể thay thế bằng những ion khác. Để thu được tinh bột có chứa các cation nhất định người ta phải xử lý sơ bộ tinh bột bằng acid để thay thế các cation liên kết với tinh bột bằng ion hydro, sau đó lại xử lý bằng dung dịch muối tương ứng thì sẽ thay thế ion hydro bằng ion mong muốn. 2. Tính chất chức năng của tinh bột : Căn cứ vào kiểu tương tác, có thể phân loại các tính chất chức năng của tinh bột thành các nhóm sau: - các tính chất phụ thuộc tương tác giữa tinh bột và nước - các tính chất phụ thuộc tương tác giữa các phân tử tinh bột với nhau - các tính chất phụ thuộc tương tác giữa phân tử tinh bột với phân tử các chất khác. 2.1. Độ tan và sự trương nở của tinh bột: Amilose mới tách từ tinh bột có độ hòa tan cao hơn song không bền nên nhanh chóng bị thoái hóa trở nên không hòa tan trong nước. Amilopectin khó tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ tan trong nước nóng.Tinh bột bị kết tủa trong cồn, vì vậy cồn là một tác nhân tốt để thu hồi tinh bột. Khi ngâm tinh bột vào nước thì thể tích hạt tăng lên do sự hấp thụ nước, làm cho hạt tinh bột trương phồng lên.Độ tăng kích thước trung bình của một số loại tinh bột khi ngâm vào nước như sau:tinh bột bắp 9.1%,tinh bột khoai tây 12.7%,tinh bột sắn 28.4%. 2.2. Tính chất thuỷ nhiệt và sự hồ hoá của tinh bột : Khi hoà tan tinh bột vào nước, tạo lớp vỏ nước làm cho liên kết trong phân tử tinh bột bị yếu đi, các phân tử tinh bột bị xê dịch và bị trương lên. Sự xâm nhập các phân tử nước đến một lúc nào đó sẽ làm bung các phân tử tinh bột thì hệ thống chuyển thành dung dịch. Để tinh bột đạt đến trạng thái hoà tan này còn phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ. Sự phá huỷ hạt có thể xem như giới hạn tự nhiên giữa hai trạng thái khác nhau của tinh bột: tinh bột ban đầu với các mức hydrat hoá hoá khác nhau và dung dịch keo của tinh bột. Nhiệt độ để phá vỡ hạt chuyển tinh bột từ trạng thái đầu có mức độ hydrat hoá khá nhau thành dung dịch keo gọi là nhiệt hồ hoá. Các hạt tinh bột có kích thước lớn sẽ dễ bị hồ hoá hơn. Phần lớn tinh bột bị hồ hóa khi nấu và trạng thái trương nở được sử dụng nhiều hơn ở trạng thái tự nhiên.Ban đầu độ nhớt của hồ tinh bột tăng dần lên, sau đó qua một cực đại rồi giảm xuống.Các biến đổi hóa lý khi hồ hóa như sau:hạt tinh bột trương lên,tăng độ trong suốt và độ nhớt, các phân tử mạch thẳng thì hòa tan và sau đó tự liên hợp với nhau để tạo thành gel. Nhiệt độ hồ hoá cũng phụ thuộc vào thành phần amilose và amilopectin. Amilose sắp xếp thành chùm song song đựơc định hướng chặt chẽ hơn. Amilopectin vốn có xu hướng cuốn lại thành hình cầu, có cấu trúc khó cho nước đi qua. Các ion được liên kết với tinh bột cũng sẽ ảnh hưởng đến độ bền của các liên kết hydro giữa các yếu tố cấu trúc bên trong của hạt. Khi giữa thành phần của các chuỗi có chứa những ion mang điện tích cùng dấu thì sẽ đẩy nhau do đó làm lung lay cấu trúc bên trong của hạt kết quả là làm thay đổi nhiệt độ hồ hoá. Tinh bột Nhiệt độ ban đầu,0C Nhiệt độ trung bình,0C Nhiệt độ cuối,0C Ngô Ngô nếp Ngô giàu Am (55%) Thóc Lúa mì Sắn Khoai tây 62 63 67 68 59,5 52 58 66 68 80 74,5 62,5 59 62 70 72 Một số hạt ở 1000C vẫn chưa bị phá hủy 78 64 64 66 Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm mà là một khoảng nhiệt độ nhất định.Tùy điều kiện hồ hóa như nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt và PH mà nhiệt độ phá vỡ và trương nở của tinh bột biến đổi trong một khoảng rộng. Các muối vô cơ ở nồng độ thấp sẽ phá hủy liên kết hydro nên làm tăng độ hoà tan của tinh bột, ngược lại nồng độ muối cao sẽ làm giảm sự hydrat hoá phân tử tinh bột và làm kết tủa chúng. Sự hồ hoá tinh bột cũng có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp trong môi trường kiềm.Vì kiềm làm ion hoá từng phần, do đó làm cho sự hidrat hoá phân tử tinh bột tốt hơn. Các chất không điện li như đường, rượu cũng có ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hoá và làm cho nhiệt độ hồ hoá tăng lên. Anh hưởng của dung dịch 20% các đường khác nhau đến nhiệt độ hồ hoá theo trật tự sau: Saccaroza>glucose>socboza>maltoza. Với rượu thì có trật tự sau: Glyxerin>izopropanol>etanol>propanol Tinh bột đã hồ hoá thường có độ trong suốt nhất định và độ trong này có ý nghĩa về giá trị cảm quan của sản phẩm thực phẩm có chứa tinh bột. Tinh bột của nếp, củ cho hồ trong suốt hơn tinh bột của hạt tẻ. Đường thường tăng đáng kể độ trong suốt của hồ tinh bột còn các chất nhũ hoá thì gây đục. Các chất hoạt động bề mặt như sodium laurilsulphate dễ tạo phức với amylase và có tác dụng làm tăng độ trong của hồ. 2.3. Tính chất nhớt dẻo của hồ tinh bột: Phân tử tinh bột chứa nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết được với nhau (liên kết hydro) làm cho phân tử tinh bột có khả năng tập hợp và giữ được nhiều phân tử nước khiến dung dịch có độ đặc, độ dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn, do đó các phân tử di chuyển khó khăn hơn.Tính chất này thể hiện rõ ở tinh bột nếp (do chứa nhiều amylopectin). Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch tinh bột là đường kính biểu kiến của tinh bột hay các hạt tinh bột. Đường kính này lại phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Khối lượng kích thước, thể tích cấu trúc cũng như sự bất đối xứng của phân tử tinh bột - Tương tác của phân tử tinh bột với nước gây ảnh hưởng đến độ trương, độ hoà tan và các cầu hidrat hoá bao quanh phân tử - Tương tác giữa các phân tử tinh bột với nhau quyết định kích thước của tập hợp. Nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, Ca2+, tác nhân oxy hóa, các hoá chất phá huỷ cầu hydrat đều làm cho tương tác giữa các phân tử tinh bột thay đổi và làm cho độ nhớt thay đổi Độ nhớt của tinh bột tăng lên trong môi trường kiềm vì kiềm gây ion hoá các phân tử tinh bột khiến chúng hydrat hoá tốt hơn Muối ở nồng độ cao cho vào thực phẩm chứa tinh bột sẽ làm tăng độ nhớt vì khi đó muối sẽ chiếm lấy các phân tử nước. Một số phụ gia như: đường (saccarose ở nồng độ tối ưu 5%), acid béo làm tăng giá trị cực đại của độ nhớt. Các chất hoạt động bề mặt làm tăng nhiệt độ để hồ có độ nhớt cực đại: trong thực phẩm, người ta thường sử dụng chất hoạt động bề mặt để làm chất nhũ hoá, chất tạo bọt. Ngoài ra chúng cũng được sử dụng để ngăn ngừa sự tạo keo trong các sản phẩm có chứa tinh bột. 2.4 Khả năng tạo gel và thoái hoá của tinh bột: 2.4.1. Khả năng tạo gel: Khi để nguội hồ tinh bột thì các phân tử sẽ tương tác với nhau và sắp xếp lại một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột có cấu trúc mạng ba chiều. Các yêu cầu để có thể tạo được một gel tinh bột: - Dung dịch tinh bột phải có nồng độ vừa phải. - Được hồ hoá để chuyển tinh bột thành dạng hoà tan. - Để nguội trạng thái yên tĩnh để tạo gel tinh bột có cấu trúc mạng ba chiều Khác với gel protein, trong gel tinh bột chỉ có duy nhất các liên kết hydro tham gia. Liên kết hydro tham gia nối trực tiếp các mạch tinh bột hoặc gián tiếp qua các cầu phân tử nước. Tinh bột cũng có khả năng đồng tạo gel với protein. Nhờ tương tác này mà khả năng giữ nước, độ cứng và độ đàn hồi của gel protein tốt hơn.Tính chất này có ứng dụng quan trọng trong các sản phẩm như giò lụa. Vì tinh bột chứa cả amilose và amilopectin nên trong gel tinh bột có cả vùng vô định hình và vùng kết tinh.Tham gia vào vùng kết dính có các phân tử amilose và các đoạn mạch ngắn của amilopectin ngắn kết dính nhau.Cấu trúc nhiều nhánh của amilopectin sẽ cản trở sự dàn phẳng và sự kết tinh.Vùng kết tinh vừa nằm trong các hạt đã trương vừa nằm trong dung dịch sẽ tạo độ bền và độ đàn hồi cho gel; còn phần đại phân tử amilose và amilopectin nối vào phần kết tinh nhưng nằm trong phần vô định hình sẽ tạo cho gel một áp suất nhất định để không bị phá huỷ . Tinh bột nếp có hàm lượng amilopectin cao thường khó tạo gel ở nồng độ thấp, tuy nhiên nồng độ tinh bột 30% thì cũng tạo gel được. Gel của tinh bột giàu amilose thường cứng và đàn hồi kém. 2.4.2. Sự thoái hoá của gel tinh bột: Khi để một thời gian gian dài, các gel tinh bột sẽ co lại và tách nước. Hiện tượng này gọi là sự thoái hoá. Quá trình này sẽ được tăng cường khi để lạnh đông và sau đó làm tan đá .Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự hình thành các cầu hydro giữa các phân tử tinh bột. Amilose có cấu trúc mạch thẳng nên khả năng định hướng và tập hợp lại dễ dàng hơn amilopectin, vì thế nói chung, hiện tượng thoái hoá thường liên quan đến thành phần amilose của tinh bột .Quá trình thoái hoá gồm các giai đoạn sau đây: - Các mạch được uốn thẳng lại. - Sau đó lớp vỏ hidrat bị mất đi, các mạch sẽ định hướng song song với nhau. - Các cầu hidro dược hình thành giữa các nhóm OH của tinh bột. Tốc độ thoái hoá sẽ tăng khi giảm nhiệt độ và đạt cực đại ở pH=7. Tốc độ thoái hoá sẽ giảm cả khi pH nhỏ hơn hay lớn hơn 7. Amilose là thành phần chủ yếu gây thoái hoá nhưng không khắc phục được, trong khi đó thoái hoá do amilopectin có thể khắc phục được khi đun nóng từ 50-60oC. Sự thoái hoá thường kèm theo hiện tượng tách nước và đặc lại của sản phẩm dạng nữa lỏng và làm sản phẩm cứng như bánh mì. 2.5. Khả năng tạo hình của tinh bột: 2.5.1. Khả năng tạo màng: Để tạo màng các phân tử tinh bột tạo dàn phẳng ,sắp xếp lại và tương tác trực tiếp với nhau nhờ liên kết hydro hoặc gián tiếp thông qua các cầu phân tử nước. Tính chất này được ứng dụng để sản xuất bánh tráng ,bánh cuốn ,bánh phở .. từ tinh bột. Các giai đoạn trong quá trình tạo màng Cho tinh bột phân tán trong nước đến một nồng độ nhất định. Hồ hoá sơ bộ để tạo ra một độ nhớt nhất định Khuấy kỹ và rót dịch tinh bột một lớp mỏng lên mặt kim loại phẳng và nhẵn đã được gia nhiệt thích hợp (có thể phết một ít parafin để trơ hoá bề mặt kim loại tránh cho màng hỏi bị dính sau khi khô) Cơ chế của việc tạo màng Giai đoạn 1: Nước bốc hơi từ bề mặt tự do của chất lỏng (trong trường hợp này, áp suất hơi bão hoà là trở ngại duy nhất) Giai đoạn 2: Nồng độ tinh bột tăng lên và các hạt tinh bột dịch lại gần lại nhau, phân tán sắp xếp thành lớp đơn hạt, một lớp gel tạo trên bề mặt màng (nước phải thắng trở lực của lớp gel này) Giai đoạn 3: Nước nằm giữa các hạt (nước solvate hoá liên kết bền với tinh bột) bắt đầu bốc hơi .Lúc này nước đã thắng các trở lực của màng .Các hạt tiếp xúc nhiều hơn và bắt đầu biến dạng, có sự co bề mặt . Giai đoạn 4: Các hạt bắt đầu thể hiện lực cố kết, tạo nên cáctính chất cơ lí của màng Giai đoạn 5: Màng được tạo thành do kết quả của sự bốc hơi nước .Thay đổi nhiệt độ điều chỉnh tốc độ bốc hơi nước, thay đổi nồng độ tinh bột, độ nhớt dung dịch sẽ thu được màng có tính chất khác nhau . Nồng độ tinh bột nhỏ dẩn đến sự hidrat hoá cao, sự bốc hơi nước nhanh và màng càng co ngót, có độ bền cao nhưng ứng suất nội lớn. Màng tinh bột thu được thường giòn và dễ rách là do khi tạo màng có sự giảm dần thể tích tinh bột do sự bốc hơi nước. Khi màng co ngót, do bề mặt bản kim loại không có khả năng thay đổi kích thước của mình nên sẽ làm xuất hiện các ứng suất nội. Nếu ứng suất này lớn hơn độ bền cấu trúc màng đã hình thành tại thời điểm đó thì sự co ngót làm rách màng. Khắc phục hiện tượng trên bằng cách tăng nhiệt độ tạo màng để tăng chuyển động nhiệt của các hạt phá vỡ các cấu trúc cục bộ; hoặc thêm các chất hoá dẻo để tăng khoảng cách giữa các phân tử, giảm lực Vander Wall để giảm ứng suất nội tăng độ bền và đàn hồi của màng vừa được tạo thành . 2.5.2. Khả năng tạo sợi: Ứng dụng để sản xuất các sản phẩm như miến Các bước tạo miến Cho dung dịch tinh bột đi qua một bản có đục lỗ với bán kính thích hợp. Các phân tử tinh bột sẽ tự định hướng, kéo căng ra và sắp xếp song song với nhau theo hướng trọng lực. Nhúng các sợi vừa kéo căng đi ra từ khuôn vào bể đựng nước nóng để định hình (nhờ tác dụng của nhiệt), sau đó là qua bể nước lạnh để tăng sự liên hợp giữa các sợi (do tạo ra nhiều cầu hidro giữa các phân tử).Nhiệt độ lạnh còn tạo ra sự kết tinh từng phần làm tăng độ bền cơ học và sự gắn bó giữa các sợi với nhau. Gia nhiệt để khử nước, tăng lực cố kết và độ cứng của sợi. Độ dai và độ bền đút của toàn sợi chịu tác động của lực tương tác giữa các phân tử và nội lực phân tử .Liên kết giữa các phân tử lại phụ thuộc vào chiều dài của mạch. Tinh bột đậu xanh chứa >50% amilose, mạch amilose dài nên lực tương tác giữa các phân tử lớn, các chuổi khó bị đứt, sơi miến chắc và dai. Amilopectin ngắn hơn và phân nhánh do đó lực tương tác giữa các phân tử yếu hơn, các mạch ngắn dễ chập lại với nhau tạo khuyết tật của bó sợi tinh bột nên sợi tinh bột dễ bị rão và đứt. Chính vì thế mà người ta dung tinh bột của đậu hay tinh bột của dong riềng làm miếng để tạo độ bền và dai hơn so với các tinh bột khác . 2.5.3. Khả năng phồng nở của tinh bột: Khi chiên, rán tinh bột với dầu béo, dầu béo có xu hướng tụ tập lại với nhau do tương tác kị nước và có khả năng xuyên thấm qua các vật liệu như tinh bột, cellulose…Khi gia nhiệt, tinh bột bị hồ hoá và chín. Các không khí bên trong tinh bột giãn nở và không thể nào thoát ra ngoài được do tinh bột bị tẩm béo, dẫn đến sự phồng nở của khối tinh bột. Tinh bột của nếp do chứa nhiều amilopectin nên có câu trúc bền, chặt; không khí càng khó thoát ra bên ngoài, do đó, độ phồng của tinh bột càng cao. Tinh bột oxy hoá có các phân tử tích điện trái ngược nhau nên đẩy nhau, do đó có khả năng phồng nở cao. Ứng dụng tính chất này để sản xuất bánh phồng tôm và xôi chiên. 3.chỉ tiêu chất lượng: -Trong công nghiệp người ta thường dung tinh bột sắn để sản xuất cyclodextrin. -Chỉ tiêu chất lượng: Hàm lượng tinh bột(starch content):≥ 85%. Độ ẩm(moisture):≤ 13% Hàm lượng xơ thô(ASH):≤ 0.2% PH:5-7 Độ dẻo(viscosity):≥1000BU Độ trắng:≥93%. Độ mịn(qua rây 100µm):99.5% Hàm lượng sơ thô:≥0.2% Hàm lượng tro toàn phần:≤0.1% Hàm lượng tro không tan:0% Hàm lượng lưu huỳnh:0% Mùi vị: không có mùi vị II.Nguyên liệu phụ: 1.Nước: giúp hồ hóa tinh bột và là môi trường để cho các enzym thủy phân hoạt động.Yêu cầu:trong suốt, không có vị lạ, không có vi sinh vật gây bệnh, PH:6.5-7. 2. Dung môi:( trichloroethylene,tetrachloroethane, decanol,brombenzene…)giúp cho việc định hướng phản ứng tạo ra các sản phẩm α-,β-,γ- cyclodextrin. III.Chế phẩm emzyme: 1.α-amylase (EC3.2.1.1): endo-enzyme - cắt liên kết α-1,4 glucoside từ giữa mạch tạo các dextrin. a.Cấu tạo:là protein có phân tử lượng thấp, thường nằm trong khoảng 50000-60000.Có cấu trúc bậc 3. Hình:cấu trúc bậc 3 của α-amylase b.Tính chất: - PH tối ưu phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme( 4.8-6.9).Tuy nhiên có một số α- amylase chịu axit cao như α-amylase từ bacillus acidocaldarious( PH tối ưu 3.5) và chịu kiềm mạnh như α-amylase từ bacillus licheniformis( Ph tối ưu 9.0). Sự có mặt của ion Canxi cho phép cải thiện độ ổn định của enzyme đối với sự thay đổi PH. -Nhiệt độ hoạt động tối ưu của α-amylase cũng phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme(40-50oC), nhưng có thể đạt tới giá trị gần 70-80oC đối với α-amylase từ vi khuẩn như B.sterothermophilus,B.subtilis,B.licheniformis. Bảng.Các tính chất của α-amylase 2.Cyclodextrin glucanotransferase(CGTase): -Có khả năng chuyển hóa các mạch thẳng của phân tử tinh bột thành mạch vòng.Cơ chế xúc tác của enzyme này rất phức tạp.Nhìn chung có thể thấy giai đoạn đầu là giai đoạn khử trùng hợp phân tử tinh bột, tiếp theo là giai đoạn chuyển hóa glucoside nội phân tử. a.Cấu tạo:khối lượng phân tử từ 67000 đến 88000. b.Tính chất: -CGTase được chia thành các nhóm:nhóm tạo chủ yếu α-cyclodextrin( ví dụ bacillus macerans) và nhóm khác là β-cyclodextrin ( ví dụ megaterium). Ngoài ra sự phân bố các sản phẩm mạch vòng còn phụ thuộc vào thời gian phản ứng. -Ezyme CGTase tạo thành từ B.macerans ban đầu tạo ra β-cyclodextrin, sau đó là α- và γ-cyclodextrin có tỉ lệ là 42,44:14.Enzyme này có đặc tính là thủy phân được những sản phẩm cyclodextrin của chính mình. Các vi sinh vật chủ yếu sinh tổng hợp enzyme này là B.macerans,B.stearothermophilus,K.pneumoniae và một số giống thuộc Micrococcus -Nhiệt độ tối ưu của enzyme CGTase nằm trong khoảng 50-70oC, PH tối ưu 5-7,còn PH tối ưu để tạo các cyclodextrin là từ 4,5-9. 3.Glucoamylase(EC 3.2.1.3): a.Cấu tạo:glucoamylase từ nấm mốc là các protein có khối lượng phân tử dao động rất lớn từ 27000 đến 112000 tùy thuộc nguồn gốc enzyme.Nói chung, các glucoamylase đều có chứa các gốc metionin,tryptophan,và một nữa gốc cystein. b.Tính chất:phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme.Hoạt động tối ưu của enzyme nằm trong khoảng PH 4,5-5,5 và nhiệt độ 40-60oC.Sự có mặt của các oligosaccharide trong môi trường có tác dụng ổn định enzyme.Ngược lại sự có mặt của ion Canxi kìm hãm chúng và làm biến tính enzyme. Bảng.Các đặc tính của glucoamylase Phần III:Quy trình công nghệ I.Sơ đồ khối Quy trình 1 Tinhbột sắn Hoà hoùa α – amylase Dòch hoùa Loïc keát tuûa Gia nhiệt Làm nguội CGTase Toång hôïp cyclodextrin β-cyclodextrin Theâm Bacterial α-amylase,glucoamylase Trao ñoåi ion Cô đặc α-cyclodextrin Keát tinh Tinh bột sắn Quy trình 2 Hoà hoùa α – amylase Dòch hoùa Gia nhiệt Làm nguội CGTase Toång hôïp cyclodextrin Theâm dung moâi Loïc keát tuûa Trao ñoåi ion Cô đặc Cyclodextrin Keát tinh II. Giải thích quy trình 1. Quy trình 1 a. Hồ hóa tinh bột Mục đích công nghệ: -Khai thác: hòa tan những hạt tinh bột có kích thước nhỏ thành dung dịch nhớt sền sệt, các hạt hút nước và trương nở tối đa tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình dịch hóa. Thiết bị: - Thiết bị jet-cooker: gồm một ống huyền phù tinh bột và một ống hơi giao nhau qua một khe hình côn, hơi được phun trực tiếp vào huyền phù tinh bột, lượng hơi vào được điều chỉnh bởi van qua hệ thống khí nén. - Cột lưu cao áp: lượng tinh bột được hồ hóa một phần sẽ băng qua một dãy các cột lưu cao áp để duy trì nhiệt độ ở 105 – 1100C và được giữ trong 5 phút. Thiết bị jet-cooker và các cột lưu thực hiện hai nhiệm vụ: hồ hóa hoàn toàn và phá bung toàn bộ hạt tinh bột bắt đầu giai đoạn dịch hóa. Thông số công nghệ: - Thiết bị jet-cooker: Nhiệt độ t0 = 60 - 700C. Thời gian t = 5s. - Cột lưu cao áp: Nhiệt độ t0 =105 – 1100C. Thời gian t = 5ph Các biến đổi diễn ra trong quá trình: Huyền phù tinh bột được bơm cưỡng bức vào thiết bị jet-cooker và tiếp xúc trực tiếp với hơi, hơi nước khi tiếp xúc với tinh bột có nhiệt độ thấp hơn sẽ ngưng tụ một phần nhưng hầu hết hơi nước vẫn còn ở áp suất cao nên vẫn cung cấp lượng nhiệt để nâng nhiệt độ lên nhằm hồ hóa dung dịch. Quá trình hồ hóa xảy ra nhanh hơn, đồng đều và nhiệt độ không bị tăng cục bộ. Tuỳ loại tinh bột khác nhau có cấu trúc và số lượng hạt khác nhau dẫn đến khả năng hấp thụ nước khác nhau. Khi tinh bột được xử lý bằng nhiệt và ẩm đồng thời thì sẽ xảy ra hiện tượng hồ hoá, các hạt tinh bột sẽ trương nở lên do hấp phụ nước vào các nhóm hydroxyl phân cực. Các hạt tinh bột lớn nhất sẽ trương nở trước hết do cấu trúc kém bền nhất. Khi đó độ nhớt của huyền phù tinh bột tăng mạnh vì các hạt tinh bột trương nở kết dính vào nhau.Tiếp tục xử lý sẽ gây vỡ hạt tinh bột, thuỷ phân từng phần các phân tử cấu thành tinh bột, làm giảm độ nhớt của dung dịch. Khi dung dịch rất đậm đặc thì tinh bột hình thành gel, độ nhớt tăng lên, đôi khi tạo kết tủa. Thời gian tạo gel nhanh nhưng dưới tác dụng nhiệt của cột lưu cao áp làm cho tất cả các hạt tinh bột trương nở hoàn toàn. b. Dịch hóa tinh bột Mục đích công nghệ: -Khai thác: Quá trình dịch hóa giảm thiểu khả năng bị lão hóa của tinh bột và giúp quá trình tổng hợp cyclodextrin xảy ra hiệu quả hơn. Hơn nữa quá trình dịch hóa giúp thu hồi cyclodextrin từ dung dịch sau phản ứng tổng hợp dễ dàng hơn. Chuyeån heä huyeàn phuø cuûa haït tinh boät thaønh daïng dung dòch hoøa tan dextrin coù nhieàu maïch ngaén hôn. Tổng hợp enzyme: sử dụng α-amylase tổng hợp từ vi khuẩn: - Vi khuẩn Bacillus Subtilis: chịu nhiệt ở 80-850C. - Vi khuẩn Bacillus Licheniformis, vi khuẩn Bacillus Stearothermophilus: chịu nhiệt ở 90-1000C. Thiết bị: - Cấu tạo: thiết bị là một thùng kín, vỏ ngoài có áo cách nhiệt, trong thùng được chia làm nhiều ngăn, mỗi ngăn có cánh khuấy nối chung với một trục được dẫn bởi động cơ. - Nguyên tắc hoạt động: đây là thiết bị hoạt động liên tục, dịch được bơm từ cột lưu vào thùng dịch hóa, thùng dịch hóa khi đầy dung dịch sẽ được bơm từ từ sang thiết bị tiếp theo, khi đó dung dịch sẽ đi từ trên xuống qua mỗi ngăn theo ống trung tâm. Do vậy dung dịch sẽ được lưu một thời gian cố định trong thùng, áo cách nhiệt phía ngoài nhằm giữ nhiệt độ dịch hóa không đổi và dịch luôn được đảo trộn liên tục bởi cánh khuấy. Thông số công nghệ: Nhiệt độ t0 = 90 – 950C. Thời gian t = 85 – 110ph pH = 7.2 DE = 0.5 – 6.0 Các biến đổi diễn ra trong quá trình: dưới tác dụng của enzyme xảy ra quá trình dịch hóa tinh bột, tinh bột bị cắt ở giữa mạch, độ nhớt giảm, nồng độ chất khô tăng. Hạt tinh bột bị phá bung, phá vỡ các liên kết hydro giữa nước và các sợi tinh bột. Phản ứng Maillard giữa đường khử và acid amin tạo ra sản phẩm có màu. Sử dụng chế phẩm enzyme α-amylase chịu nhiệt (Termamyl) giúp đẩy nhanh quá trình phản ứng dịch hóa. Tinh bột α-dextrin + maltose + glucose Giải thích quy trình: chỉ số DE < 0.5 thì không đạt được mục đích công nghệ quá trình dịch hóa, tuy nhiên càng tăng chỉ số DE của hồ tinh bột, tức là tăng sự phân đoạn tinh bột thì làm giảm hàm lượng cyclodextrin thu được. Thông thường, chỉ số DE của tinh bột dịch hóa giữ ở khoảng dưới 20 DE. Ở đây, để đạt được hiệu suất tổng hợp tinh bột cao chọn DE ≤ 6.0. c. Gia nhiệt: Mục đích công nghệ: -Hoàn thiện:làm vô hoạt hoạt tính của enzyme α-amylase, nhờ đó không làm ảnh hưởng tới lượng cyclodextrin thu được vì α-amylase có khả năng thủy phân cyclodextrin thành đường glucose và một số oligosaccharide. Thiết bị: thiết bị gia nhiệt dạng vỏ áo, gia nhiệt bằng hơi nước. Thông số công nghệ: Nhiệt độ t0 = 1200C. Thời gian t = 15 phút. Các biến đổi diễn ra trong quá trình: tiếp tục xảy ra phản ứng Maillard giữa đường khử và acid amin. Độ tan của tinh bột tăng. d. Làm nguội: Mục đích công nghệ: - Chuẩn bị: tạo điều kiện tối thích cho quá trình tổng hợp cyclodextrin tiếp theo. Thiết bị: thiết bị truyền nhiệt gián tiếp với kiểu có bề mặt truyền nhiệt phẳng, gồm những tấm bản ghép thành hộp rỗng nhiều ngăn. Chúng có những lỗ nối nhau tương ứng để tạo thành lối chuyển động riêng cho từng lưu chất. Dịch đường và nước lạnh sẽ đi trong những khoang xen kẽ nhau. Giữa các tấm bản có dùng các tấm đệm kín để đảm bảo ngăn cách hai lưu chất. Bên ngoài có hệ thống các thanh giằng có các van để ghép chặt các tấm bản. - Ưu điểm: diện tích bề mặt rất lớn so với thiết bị truyền nhiệt dạng ống hay dạng vỏ áo, nhờ đó mà quá trình làm nguội diễn ra nhanh chóng, kích thước thiết bị nhỏ gọn. Có thể thay đổi khả năng truyền nhiệt một cách dễ dàng bằng cách thay đổi số bản truyền nhiệt trong khung. - Nhược điểm: không thể bảo đảm độ kín tuyệt đối giữa các khoang nhờ vào các tấm đệm. Do đó nó chỉ thích hợp đối với những dòng lưu chất có tốc độ tương đối nhỏ và áp suất tương đối thấp. Thông số công nghệ: Nhiệt độ của tác nhân lạnh (nước) t0 = 300C (te). Nhiệt độ của dịch đường sau khi làm nguội t0 = 400 - 600C. e. Tổng hợp cyclodextrin Mục đích công nghệ: -Chế biến: dùng enzyme CGTase làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp hỗn hợp cyclodextrin từ tinh bột dịch hóa. Tổng hợp enzyme: sử dụng cyclodextrin transglycosylase (CGT) từ các loài vi khuẩn thuộc chủng Bacillus như B. macerans amylase, B. circulans, B. stearothermophilus, B. megaterium, B. ohbensis, B. klebsiella pneumoniae và B. micrococcus. Thiết bị: thiết bị tương tự như thiết bị dịch hóa. Thông số công nghệ: Nhiệt độ t0 = 400 - 600C. Thời gian t = 2 – 7 ngày pH = 5.5 - 7.5 Hoạt tính enzyme = 1 – 10 đơn vị Tilden – Hudson/gram tinh bột. Các biến đổi diễn ra trong quá trình: xảy ra phản ứng tổng hợp hỗn hợp cyclodextrin từ tinh bột dịch hóa dưới tác dụng xúc tác của CGTase. Chỉ số DE của hỗn hợp sau phản ứng tăng khoảng = 15, độ nhớt dung dịch tiếp tục giảm, xuất hiện huyền phù là β-cyclodextrin.Dung dịch nhận được sau quá trình tổng hợp cyclodextrin (gọi là dịch cái β-cyclodextrin) chứa khoảng 2% α-cyclodextrin, 6% β-cyclodextrin, 9% γ-cyclodextrin, khoảng 70% oligosaccharide và khoảng 10% glucose và maltose tính theo khối lượng. f. Lọc kết tủa Mục đích công nghệ: -Khai thác: thu nhận β-cyclodextrin không tan kết tủa trong dung dịch cyclodextrin và đường khử. Thiết bị: sử dụng thiết bị lọc thùng quay chân không. Thiết bị lọc thùng quay chân không được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế biến vì nó thuận lợi hơn so với lọc khung bản ở tính liên tục, nhanh hơn, và cần ít nhân công hơn nhưng chi phí đắt hơn lọc ép cố định. Thiết bị lọc gồm có một bình trụ rộng 0.3-3 m và dài 0.3-4 m, ngập 1 phần trong máng chứa huyền phù và quay quanh 1 trục quay gắn với 1 hệ thống truyền động. Bề mặt trụ được làm từ các tấm kim loại để che đậy môi trường lọc và hoạt động như 1 bề mặt lọc. Chân không được dùng bên trong bình trụ và bã lọc dưới tác dụng của độ giảm áp suất cố định cân bằng với áp suất khí quyển cộng thêm áp suất của thiết bị lọc. Bánh lọc được để ở dạng bề mặt lọc trong khi cặn lọc được tập trung ở thiết bị để được tách ra bởi 1 loại bơm đặc biệt. Bã lọc được tháo liên tục từ bề mặt lọc bằng cách nạo bằng 1 dao nạo trước khi quá trình lọc được lặp lại. Bã lọc trong bề mặt bình trụ thường được làm sạch bằng nước trước khi được tháo bởi dao cạo. Áp dụng các dòng áp suất ko khí ở cuối quá trình lọc để dễ tháo các bã lọc đã rửa. Vì lí do này, các trụ lọc được cung cấp một số cánh quạt nối liền các khoảng trống, áp suất khí quyển, áp suất nén trong khi thiết bị lọc quay từ từ. Quá trình lọc các chất keo và các cấu tử ép được dễ dàng hơn nếu phủ trước khu vực lọc bằng chất trợ lọc như tảo biển trước khi bắt đầu quá trình lọc. Một lớp mỏng với độ dày từ 5-15 cm làm bề mặt lọc với nước lọc được thêm vào từ 7-10 % trong từ 1-1.5h trước khi hệ thống lọc họat động. Trong quá trình lọc, các phần tử từ, lớp bã được phủ sẽ được tháo liên tục từ từ bằng hệ thống dao cạo. Bộ đĩa quay lọc chân không tương tự như hệ thống lọc quay chân không, nó bao gồm 1 số đĩa vận tốc liên kết với các xy lanh trong hệ thống chân không. Các đĩa khoan hay các đĩa kim loại được phủ ngoài bởi áo lọc và được đưa vào cánh quạt tạo chân không, rửa, và di chuyển áp suất không khí. Thông số công nghệ: vận tốc quay = 0.1-2 rpm Các biến đổi diễn ra trong quá trình: Trong dịch cái, do β-cyclodextrin có độ tan thấp nên kết tủa bã lọc trong quá trình là β-cyclodextrin. e. Thêm enzyme saccharogenic Mục đích công nghệ: -Khai thác: thu được dung dịch cyclodextrin và đường khử trong đó chỉ có loại cyclodextrin cần thu (α- hoặc γ- cyclodextrin). Thiết bị: giống thiết bị dịch hóa tinh bột. Thông số công nghệ: Các biến đổi diễn ra trong quá trình: Enzyme saccharogenic có thể được chọn một cách phù hợp tùy vào việc muốn tạo ra sản phẩm nào.Ví dụ muốn tạo sản phẩm là α-,β-, và γ- cyclodextrins, thì một enzyme saccharogenic phải thủy phân dextrin mạch thẳng cũng như mạch nhánh để tạo thành đường khử nhưng về căn bản không thủy phân bất kì α-,β-, và γ- cyclodextrins nào. Enzyme saccharogenic như vậy sẽ bao gồm glucoamylase, β-amylase và sự kết hợp của 1 trong 2 enzyme trên với α-1,6-glucosidase. Glucoamylase hoặc α-1,6-glucosidase kết hợp với glucoamylase sẽ thủy phân dextrin mạch thẳng cũng như mạch nhánh để tạo thành glucose. β-amylase hoặc α-1,6-glucosidase kết hợp với β-amylase sẽ thủy phân dextrin thành maltose. -Thí dụ: Nếu muốn sản phẩm thủy phân là α- cyclodextrins thì enzyme saccharogenic được sử dụng có thể thủy phân β-, và γ- cyclodextrins và những dextrin không vòng khác thành đường khử nhưng không thể thủy phân α- cyclodextrins. Những enzyme như vậy bao gồm bacterial saccharogenic α –amylase,fungal α –amylase và glucoamylase kết hợp với những amylase trên. Bacterial saccharogenic α –amylase hay fungal α –amylase chuyển hóa tinh bột thủy phân ngoại trừ α- cyclodextrins thành maltose và glucose. Glucoamylase kết hợp với bacterial saccharogenic α –amylase sẽ chuyển hóa tinh bột thủy phân thành glucose. Đường khử có trong dung dịch đường thì dễ chuyển thành glucose hơn khi được chiếu sáng. f. Trao đổi ion Mục đích công nghệ: -Khai thác: thu nhận cyclodextrin bằng cách tách phân đoạn cyclodextrin ra khỏi đường khử. Thiết bị: nhựa trao đổi ion (ionit) - Cấu tạo: nhựa trao đổi ion được cấu tạo bởi các hợp chất cao phân tử acid hoặc baz bao gồm khung carbon có chứa các ion di động bằng lực tĩnh điện. Ion di động tham gia cân bằng trao đổi ion. Ionit có thể ở dạng rắn hoặc lỏng. Các loại ionit hay sử dụng hiện nay chủ yếu có nguồn gốc từ polystyrene, nhựa acrylic, polysaccharides (dextran), cellulose, … Hệ thống có thể gồm 1 cột (bình) hoặc hệ thống các bình. Ở đây ta sử dụng 1 cột và là thiết bị trao đổi cation (cationit) và là cationit loại acid mạnh. Dùng acid mạnh như HCl để phục hồi lại gốc H+ cho cationit, giúp quá trình trao đổi ion diễn ra liên tục. - Nguyên tắc hoạt động: Sự trao đổi ion diễn ra giữa 2 pha: pha tĩnh (ionit) và pha phân tích (dung dịch chứa mẫu có các gốc trao đổi ion). Khi cho pha phân tích đi qua cột trao đổi ion thì những phân tử tích điện trái dấu với pha tĩnh (tức tích điện cùng dấu với ion linh động trao đổi trên ionit) sẽ được giữ lại trên cột nhờ liên kết ion, những phân tử cùng dấu với pha tĩnh hoặc trung tính sẽ theo pha động (pha phân tích) ra khỏi cột. Những phần tử đã được hấp phụ trên pha tĩnh sẽ được giải hấp phụ bởi pha động có ái lực với pha tĩnh mạnh hơn. Thường thì dùng pha động là dung dịch có nồng độ muối tăng dần (tức lực ion tăng dần) hay dung dịch có pH tăng dần. Khi tăng pH hay lực ion của dung dịch đệm thì làm giảm lực tương tác điện tích giữa chất được hấp phụ và pha tĩnh. Thông số công nghệ: Nhiệt độ t0 = 50 – 800C pH = 6.0 Kích thước hạt nhựa = 30-100 mesh Các biến đổi diễn ra trong quá trình: Cyclodextrin có thể được tách ra với độ tinh khiết rất cao và đường khử có thể được rút ra khỏi hệ thống ionit bằng nước nên sản xuất được cyclodextrin với hiệu quả cao. Dung dịch đường bao gồm đường khử và cyclodextrin được cho đi qua cột trao đổi ion dưới tác dụng của nhựa trao đổi cation acid mạnh để tách phân đoạn cyclodextrin ra khỏi đường khử. Cationit loại acid mạnh sử dụng có nhóm chức là –SO3H, có tác dụng trao đổi cation, cation trao đổi của cationit là H+. Kích thước hạt keo càng nhỏ thì càng dễ tách cyclodextrin ra khỏi đường khử do đó kích thước hạt dao động trong khoảng từ 20-200 mesh, và càng tốt nếu dao động từ 30-100 mesh. Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt mà quá trình phân đoạn có thể diễn ra thì việc tách sẽ dễ dàng hơn, tuy nhiên nhiệt độ tốt hơn là trong khoảng từ 50-800C. Dưới 50oC hiệu quả của việc phân tách sẽ không được tốt và có thể bị nhiễm nấm, nếu nhiệt độ lớn hơn 800C, đường sẽ bị biến tính và trở nên ngắn hơn. g. Cô đặc: Mục đích công nghệ: -Khai thác: quá trình cô đặc nhằm tăng nồng độ chất khô, tạo điều kiện cho quá trình kết tinh cyclodextrin thành phẩm. Thiết bị: Quá trình cô đặc được thực hiện bằng thiết bị cô đặc chân không với buồng đốt có ống tuần hoàn ngoài và có kèm theo thiết bị ngưng tụ Baromet.Đây là thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài dựng đứng nên có các ưu điểm: - Giảm bớt được khoảng cách theo chiều cao giữa buồng đốt và không gian bốc hơi, có thể điều chỉnh được sự tuần hoàn. - Hoàn toàn tách hết bọt, vì buồng đốt cách xa không gian hơi. - Có khả năng sử dụng không gian hơi như là một bộ phận phân li loại li tâm. - Do sử dụng hệ cơ đặc chân khơng nên ít gây ra biến đổi cho sản phẩm. Tuy nhiên hệ thống cũng có một số khuyết điểm sau: Do hệ thống hoạt động liên tục nên dung dịch nhập liệu phải ở trạng thái sôi, dẫn đến tiêu hao chi phí cho thiết bị gia nhiệt để gia nhiệt dung dịch nhập liệu trước khi vào nồi. Nguyên tắc hoạt động: Dung dịch đi vào buồng đốt được đun sôi để tạo thành hỗn hợp hơi lỏng đi vào buồng bốc, ở đây hơi thứ được tách ra và đi lên phía trên. Dung dịch quay về buồng đốt theo ống tuần hoàn ngoài. Thiết bị hoạt động theo nguyên tắc đối lưu tự nhiên do sự chênh lệch khối lượng riêng ở những vùng dịch lỏng có nhiệt độ khác nhau. Ở buồng bốc, dung dịch cyclodextrin bốc hơi làm tăng độ Bx, dẫn đến làm tăng khối lượng riêng, ở buồng đốt dung dịch được gia nhiệt nên khối lượng riêng nhẹ hơn. Do vậy mà dung dịch sẽ tuần hoàn từ buồng bốc sang buồng đốt và đẩy cyclodextrin từ buồng đốt sang buồng bốc. Khi nồng độ chất khô đạt yêu cầu, dung dịch sẽ được xả xuống theo từng mẻ. Hỗn hợp lỏng – hơi trong buồng bốc được phân ly nhờ hai yếu tố: chiều cao buồng bốc và sự thay đổi quán tính của hỗn hợp khi vào bộ phận tách bọt. Hơi thứ đi vào thiết bị Baromet và được làm nguội tại đây. Thông số công nghệ: PCK = 720mmHg Nồng độ chất khô = 47% Nhiệt độ t0 = 60 – 650C Các biến đổi diễn ra trong quá trình: chủ yếu xảy ra các biến đổi vật lý như độ nhớt tăng, nồng độ chất khô tăng, thể tích dung dịch giảm, … h. Kết tinh Mục đích công nghệ: -Khai thác: thu nhận sản phẩm cuối cùng. Thiết bị: thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ áo,có cánh khuấy, tác nhân làm lạnh là nước ở nhiệt độ môi trường. Thông số công nghệ: nhiệt độ t0 = t0e( nhiệt độ môi trường) Các biến đổi diễn ra trong quá trình: dung dịch nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa khi gặp tác nhân lạnh tiếp xúc giản tiếp qua thiết bị vỏ áo thì kết tinh bất thuận nghịch, làm nồng độ chất khô trong dung dịch giảm xuống. 2. Quy trình 2: a. Tổng hợp cyclodextrin và thêm dung môi: Mục đích công nghệ: -Khai thác:sử dụng các dung môi có tính ưu tiên đóng vai trò như những hợp chất bao để làm kết tủa và tách các cyclodextrin cần chọn ra khỏi dung dịch sau phản ứng CGT như trichloroethylene, tetrachloroethane, bromobenzene và những hợp chất tương tự. Dung môi sử dụng có thể là 1 hoặc hỗn hợp các dung môi. Nguyên tắc: β-cyclodextrin thường dễ dàng được tách ra khỏi hỗn hợp cyclodextrin do có độ tan thấp. Vì vậy quá trình này thường sử dụng để tạo α- và γ- cyclodextrin là những chất có độ tan lớn. Dung môi trong quá trình này đóng vai trò tạo phức với loại cyclodextrin yêu cầu, những phức này có độ tan kém, sẽ kết lắng và ta có thể tách ra khỏi dung dịch bằng phương pháp lọc. Bên cạnh đó, dung môi còn có vai trò hết sức quan trọng khác nữa là định hướng phản ứng theo hướng tạo loại cyclodextrin cần sản xuất: - Định hướng phản ứng tạo α vàγ-cyclodextrin: Bởi vì quá trình tạo cyclodextrin diễn ra tuần tự, quá trình tạo α-cyclodextrin xảy ra trước quá trình tạo β- và γ- cyclodextrin. Ở giai đoạn cuối của quá trình tổng hợp xảy ra quá trình tạo γ-cyclodextrin khi mà khả năng hoạt hóa của enzyme CGTase trở nên thấp. Điều đó có nghĩa là hàm lượng của α-cyclodextrin sẽ ảnh hưởng và giới hạn hàm lượng γ-cyclodextrin. Hơn nữa, do có đường kính vòng của 2 loại cyclodextrin này có sự khác biệt rất lớn nên những dung môi tạo phức với α-cyclodextrin sẽ tạo phức không bền với γ-cyclodextrin. - Các dung môi dùng để tạo phức kết tủa định hướng, là ketone béo có công thức cấu tạo R1 COR 2 , trong đó R 1 và R 2 là mạch thẳng hoặc nhánh, có từ 1- 6 nguyên tử C; và/hoặc là dẫn xuất của phenol có công thức cấu tạo R 3 R 4 PheOH, trong đó R3 và R4 là H, alkyl có từ 1-4 nguyên tử C; và/hoặc là dẫn xuất của benzene có công thức cấu tạo R5 R 6 Phe trong đó R5 và R6 là H, alkyl có từ 1-4 nguyên tử C, hoăc R 5 và R 6 tao nên 1 gốc phenol. -Các dung môi thích hợp tạo kết tủa định hướng nhiều α-cyclodextrin hoặc γ-cyclodextrin: ketone béo mạch thấp như acetone, diethyl ketone, methylethyl ketone, methylpropyl ketone, methylisobutyl ketone; dẫn xuất của phenol như 1-naphthol, 2-naphthol, 2,4-dimethylphenol, 2,6-dimethylphenol, .... Dịch cái sau quá trình tổng hợp cyclodexrin và thêm dung môi có thể đạt được 40% α-cyclodextrin. Các dung môi sử dụng định hướng kết tủa γ-cyclodextrin thường ở dạng hỗn hợp 1:1 của các dung môi như methylethyl ketone and 2,4-dimethyl phenol, methylethyl ketone và 1-naphthol. Dịch cái sau quá trình tổng hợp cyclodextrin và thêm dung môi có thể đạt được 35% γ-cyclodextrin. Bảng : Hỗn hợp sau quá trình tổng hợp định hướng α-cyclodextrin methylethyl ketone (MEK), methylisobutyl ketone (MIBUK) 2,4-dimethylphenol (2,4-DMP), methylpropyl ketone (MEPROK). Bảng : Hỗn hợp sau quá trình tổng hợp định hướng β-cyclodextrin methylethyl ketone (MEK), methylisobutyl ketone (MIBUK) 2,4-dimethylphenol (2,4-DMP) Bảng : Hỗn hợp sau quá trình tổng hợp định hướng γ-cyclodextrin methylethyl ketone (MEK), methylisobutyl ketone (MIBUK) 2,4-dimethylphenol (2,4-DMP). Thông số công nghệ: - Tổng hợp cyclodextrin: Thời gian t = 50 phút Nhiệt độ t0 = 550C. - Thêm dung môi: Thời gian t = 24 giờ Nhiệt độ t0 = 550C. Các biến đổi diễn ra trong quá trình: cyclodextrin được tổng hợp định hướng dưới ảnh hưởng của dung môi và tạo huyền phù là phức giữa dung môi và cyclodextrin. Nhiệt độ được nâng lên đến 550C; khi đó những phân tử tinh bột với chiều dài và khối lượng phân tử lớn mà không tham gia vào phản ứng tổng hợp cyclodextrin sẽ bị thủy phân. e. Lọc kết tủa, trao đổi ion, kết tinh: tương tự quy trình 1.. 3. So sánh 2 quy trình: Sự khác biệt lớn nhất giữa 2 quy trình là có hoặc không sử dụng dung môi có tính ưu tiên. Quy trình không sử dụng dung môi có thuận lợi là cyclodextrin nhận từ các quá trình không sử dụng các dung môi có tính độc hại vì thế quy trình 1 này được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm và dược phẩm. Nhược điểm của 2 quy trình là tính chất độc hại tự nhiên của các hợp chất bao, phải xử lý 1 lượng lớn chất lỏng thải loại trong hệ thống không sử dụng dung môi và hệ thống tách bằng trao đổi ion. Quy trình không sử dụng dung môi thường khá phức tạp. Quá trình sử dụng HCl để phục hồi nhựa trao đổi ion có thể phân hủy cấu trúc của đường khử, làm giảm hiệu suất quá trình và làm giảm độ tinh khiết sản phẩm. Lượng cyclodextrin thu được ở quy trình 1 không lớn do dùng enzyme saccharogenic thủy phân 1 phần cyclodextrin tạo thành và độ tinh khiết của sản phẩm β-cyclodextrin không cao. Hơn nữa, quy trình 1 không thu được sản lượng lớn vì trong dịch cái β-cyclodextrin thành phần của từng loại cyclodextrin không nhiều, nhất là α- cyclodextrin và vì α- cyclodextrin có ứng dụng thực tế rất lớn. PhầnIV. Sản phẩm và các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm I. Khái quát chung: 1.Độ độc: Là tinh bột biến tính, cyclodextrin nói chung được xem là không độc. tuy nhiên, β-cyclodextrin có thể tạo phức không tan với cholesterol ảnh hưởng đến chức năng của thận nên nên được sử dụng hấp thụ ngoài đường tiêu hóa và hàm lượng sử dụng nên ở 5 mg/kg. Cả α-cyclodextrin và γ-cyclodextrin có hàm lượng hấp thụ hàng ngày (ADI) được xem là “không xác định” bởi JECFA (Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives). γ-cyclodextrin có thể được hấp thu trong đường ruột. 2.Tính chất trong thực phẩm Cả 3 loại cyclodextrin cho thấy khả năng lưu chuyển tốt, các đặc tính sản phẩm kiểm soát được và có: Độ bền nhiệt (< 200 °C). Rất bền trong dung dịch kiềm (pH < 14) Bền trong dung dịch acid (pH > 3). Tương thích sinh học. Cyclodextrin có phân tử lượng càng nhỏ thì có độ nhớt càng thấp càng có ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm. a- và γ-cyclodextrin có khả năng tạo phức với nhiều loại phân tử chất hữu cơ cùng với tính tan tốt trong nước nên có ứng dụng mạnh. a-Cyclodextrin bị thủy phân bởi acid mạnh nhưng tỉ lệ thủy phân thấp malto-oligosaccharide mạch thẳng và không bị phân hủy dưới pH kiềm. Cyclodextrin không có phản ứng Maillard do không có đầu khử. Hơn nữa, vì cyclodextrin không có bất kì một nhóm chức phản ứng nào nên chúng không có phản ứng hóa học với các thành phần thực phẩm. 3.Khả năng hấp thu chất dinh dưỡng Đánh giá đối với các hợp chất tan trong chất béo, vì các hợp chất này cần tạo phức hệ bao thể với cyclodextrin tạo phức tan. Đánh giá chủ yếu đối với lipid và vitamin, cho thấy khả năng hấp thụ thấp, tuy nhiên có nhiều trường hợp chưa có bằng chứng rõ ràng như trường hợp phức hệ bao thể của α-cyclodextrin và vitamin K. các thí nghiệm in vitro cho thấy có khả năng tạo phức hệ bao thể với vitamin K lớn hơn các cyclodextrin khác. Bảng 1: Độ tan (μg/mL) trong nước của vitamin A, D, E và K với các loại cyclodextrin ở nồng độ 5% và đo bằng quang phổ khối Vitamin Control (saline) solution a-cyclodextrin solution b-cyclodextrin solution g-cyclodextrin solution Vitamin A acetate <4 7 9 4 Vitamin A (retinol) <1 1 4 11 Vitamin D2 <0.5 0 0 0 Vitamin D3 <0.1 0 0 <1 Vitamin E acetate 0 0 0 0 Vitamin K1 <0.5 5 <0.5 2 4.Một vài ví dụ về sản phẩm thương phẩm của cyclodextrin và dẫn xuất của cyclodextrin alpha-Cyclodextrin (CAS #: 10016-20-3) alpha-Cyclodextrin phosphate Sodium salt (CAS #: 199684-60-1) alpha-Cyclodextrin, sulfated Sodium salt Hydrate (CAS #: 699020-02-5) Hexakis (2,3,6-tri-O-acetyl)-alpha-cyclodextrin Hexakis (2,3,6-tri-O-methyl)-alpha-cyclodextrin Hexakis(2,3,6-tri-O-octyl)-alpha-cyclodextrin (CAS #: 140395-31-9) Hexakis-6-bromo-6-deoxy-alpha-cyclodextrin (CAS #: 53784-82-0) Hexakis-6-iodo-6-deoxy-alpha-cyclodextrin (CAS #: 131105-41-4) Hexakis (6-O-tertbutyl-dimethylsilyl)-alpha-cyclodextrin Butyl-alpha-cyclodextrin Succinyl-alpha-cyclodextrin (2-Hydroxypropyl)-alpha-cyclodextrin (CAS #: 128446-33-3) beta-Cyclodextrin (CAS #: 7585-39-9) beta-Cyclodextrin Hydrate (CAS #: 68168-23-0) beta-Cyclodextrin phosphate Sodium salt (CAS #: 199684-61-2) beta-Cyclodextrin sulfate beta-Cyclodextrin, sulfated Sodium salt (CAS #: 37191-69-8) Hydroxypropyl-beta-cyclodextrin (CAS #: 94035-02-6) 6-Monodeoxy-6-monoamino-beta-cyclodextrin 6-O-alpha-D-Glucosyl-beta-cyclodextrin (CAS #: 92517-02-7) 6-O-alpha-Maltosyl-beta-cyclodextrin Hydrate (CAS #: 104723-60-6) Heptakis-6-azido-6-deoxy-beta-cyclodextrin Heptakis(2,3-di-O-acetyl-6-O-sulfo)-beta-cyclodextrin Heptasodium salt (CAS #: 196398-66-0) Heptakis-(2,3-di-O-methyl-6-O-sulfo)-beta-cyclodextrin Heptasodium salt (CAS #: 201346-23-8) Heptakis(2,6-di-O-methyl)-beta-cyclodextrin (CAS #: 51166-71-3) Heptakis-(2,6-di-O-ethyl)-beta-cyclodextrin (CAS #: 111689-03-3) Heptakis(2,3,6-tri-O-methyl)-beta-cyclodextrin (CAS #: 55216-11-0) Heptakis(2,3,6-tri-O-acetyl)-beta-cyclodextrin Heptakis-(2,3,6-tri-O-benzoyl)-beta-cyclodextrin (CAS #: 23666-43-5) Heptakis-(2,3,6-tri-O-ethyl)-beta-cyclodextrin (CAS #: 111689-01-1) Heptakis-6-iodo-6-deoxy-beta-cyclodextrin (CAS #: 30754-23-5) Heptakis-6-(dimethyl-tert-butylsilyl)-6-deoxy-beta-cyclodextrin Heptakis-6-bromo-6-deoxy-beta-cyclodextrin Monoacetyl-beta-cyclodextrin Diacetyl-beta-cyclodextrin Triacetyl-beta-cyclodextrin (CAS #: 23739-88-0) Heptakis(3-O-acetyl-2,6-di-O-methyl)-beta-cyclodextrin (CAS #: 131889-29-7) Heptakis-(6-O-maltosyl)-beta-cyclodextrin Heptakis(6-O-sulfo)-beta-cyclodextrin Heptasodium salt (CAS #: 197587-31-8) Heptakis(6-O-t-butyldimethylsilyl-2,3-di-O-acetyl)-beta-cyclodextrin Succinyl-(2-hydroxypropyl)-beta-cyclodextrin (2,6-Di-O-)ethyl-beta-cyclodextrin (2-Carboxyethyl)-beta-cyclodextrin (2-Hydroxyethyl)-beta-cyclodextrin (CAS #: 128446-32-2) (2-Hydroxypropyl)-beta-cyclodextrin (CAS #: 128446-35-5) Butyl-beta-cyclodextrin Methyl-beta-cyclodextrin (CAS #: 128446-36-6) Silyl((6-O-tert-butyldimethyl)-2,3,-di-O-acetyl)-beta-cyclodextrin Succinyl-beta-cyclodextrin gamma-Cyclodextrin (CAS #: 17465-86-0) gamma-Cyclodextrin Hydrate (CAS #: 91464-90-3) gamma-Cyclodextrin phosphate Sodium salt (CAS #: 199684-62-3) Sulfopropyl-beta-cyclodextrin Carboxymethyl-gamma-cyclodextrin Octakis (2,3,6-tri-O-acetyl)-gamma-cyclodextrin Octakis (2,3,6-tri-O-methyl)-gamma-cyclodextrin Octakis (2,6-di-O-pentyl)-gamma-cyclodextrin Octakis-6-(dimethyl-tert-butylsilyl)-6-deoxy-gamma-cyclodextrin Octakis-6-bromo-6-deoxy-gamma-cyclodextrin (CAS #: 53784-84-2) Octakis-6-iodo-6-deoxy-gamma-cyclodextrin (CAS #: 168296-33-1) Octakis (6-O-t-butyldimethylsilyl)-gamma-cyclodextrin Succinyl-gamma-cyclodextrin (2-Hydroxypropyl)-gamma-cyclodextrin (CAS #: 128446-34-4) Acetyl-gamma-cyclodextrin Butyl-gamma-cyclodextrin Bảng 2: Sản phẩm thuốc/CD trên thị trường, 2003 Bảng 3: Các đặc điểm và đặc tính chính của sản phẩm cyclodextrin thương mại CAVAMAX®: II.β-cyclodextrin Bảng 4: Một số chỉ tiêu chất lượng của β-cyclodextrin β-cyclodextrin INS: 459 C.A.S. No. 7585-39-9 EINECS No. 231-493-2 Khối lượng phân tử 1134.99 Công thức hóa học (C6H10O5)7 Danh pháp Cycloheptaamylose Synonyms beta-Cycloamylose; beta-Cycloheptaamylose; beta-Dextrin; Cycloheptaamylose; Cycloheptaglucan; Cycloheptaglucosan; Schardinger beta-dextrin; Cyclomaltoheptaose; Dạng Bột trắng, không mùi Chức năng chất bao cho phụ gia thực phẩm, chất mùi và vitamin; chất tạo keo Nhiệt độ nóng chảy 2980C Độ bền Bền ở điều kiện thường Độ tan Có thể tan được ADI 0-5 mg/kg bw Độ tinh khiết 98.0% min Độ ẩm 5.0% max Góc quay riêng +160° ~ +165° (dung dịch c=1) Đóng gói Thùng 25kg III.a-cyclodextrin Bảng 5: Một số chỉ tiêu chất lượng của α-cyclodextrin a-cyclodextrin INS: 457 C.A.S. No. 10016-20-3 EINECS No. 233-007-4 Khối lượng phân tử 972.85 Công thức hóa học (C6H10O5)6 Danh pháp Cyclohexaamylose Synonyms Cyclohexaamylose; Alpha-Schardinger Dextrin; Alfadex; alpha-Cycloamylose; alpha-Dextrin; Cyclohexaamylose carbonate; Cyclomaltohexaose; Cyclomaltohexose; 5,10,15,20,25,30-hexakis (hydroxymethyl)- 2,4,7,9,12,14,17,19,22,24,27,29- Dodecaoxaheptacyclo (26.2.2.23,6.28,11.213,16.218,21.223,26) dotetracontane- 31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42-dodecol; Dạng Bột trắng, không mùi. Chức năng Chất mang; chất bao cho phụ gia thực phẩm, chất mùi và vitamin; chất làm bền; chất hấp thụ Góc quay riêng +133° ~ +139° (dung dịch c=10) Nhiệt độ nóng chảy 2780C Độ bền Bền ở điều kiện thường Độ tan Tan rất tốt trong nước, tan ít trong ethanol ADI Không xác định Độ tinh khiết 98.0% min Độ ẩm 5.0% max Chất tạo phức ≤ 20 mg/kg Chất khử ≤ 0.5% (như dextrose) Đóng gói Thùng 25kg Bảng 6: Lượng sử dụng đề nghị a-cyclodextrin trong thực phẩm Food Name Concentration Level (%) Breads and rolls 5 Brownies 7 Cakes (light weight) 5 Crackers (sweet and non-sweet) 10 Bars (grain based) 7 Quick breads 5 Dough (refrigerated) 5 Baking mixes (dry) 5 Beverage mixes (prepared) 1 Diet soft drinks (prepared) 1 Fruit juices 1 Vegetable juices 2 Instant coffee/tea (dry) 1 Coffee whitener (dry) 1 Formula diets (prepared) 1 Soy and non-soy (imitation milk) (prepared) 2 Ready To Eat (RTE) breakfast cereals 2 - 9 Instant rice (prepared) 2 Pasta and noodles (prepared) 2 Condiments 3 Yoghurt 2.5 Pudding mixes (dry) 1 Milk beverage mixes (prepared) 2.5 Frozen dairy desserts 2.5 Reduced fat spreads 20 Dressings and mayonnaise 5 Salty snacks 1 Canned soups (prepared) 2 Dry soups (prepared) 2 Hard candy 15 Chewing gum 10 Bảng 7: Lượng sử dụng tối đa đề nghị a-cyclodextrin trong thực phẩm Food Application Maximum proposed use (%) breads, rolls, doughs (refrigerated) 5 cakes, muffins 5-7 biscuits 1 baking mixes 5 (dry) beverage mixes (prepared) 1 coffee whitener (dry)* 1 diet soft drinks 1 fruit and vegetable juice drinks (dry) 1-2 instant coffee/tea* 1 dairy mixes (prepared) 2.5 soy and other non-dairy drinks 2 breakfast cereals 2-9 condiments* 3 hard confectionery 15 chewing gum 10 frozen dairy desserts 2.5 dessert mixes (dry) 1 yoghurt products 2.5 reduced fat table spreads 20 dressing and mayonnaise 5 formulated meal replacements (prepared) 1 instant rice (prepared) 2 noodles 2 pasta 2 cereal bars 7 salty snacks 1 IV. γ-cyclodextrin Bảng 8: Một số chỉ tiêu chất lượng của γ-cyclodextrin γ-cyclodextrin INS: 458 C.A.S. No. 17465-86-0 EINECS No. 241-482-4 Khối lượng phân tử 1297.15 Công thức hóa học (C6H10O5)8 Danh pháp Cyclooctaamylose Synonyms Cyclooctaamylose; gamma-Schardinger dextrin; Cyclooctaamylose; Dạng Bột trắng, không mùi Chức năng Chất mang, chất thay đổi mùi, chất làm bền Góc quay riêng +175° ~ +179° (dung dịch c=3) Nhiệt độ nóng chảy 2670C Độ bền Bền ở điều kiện thường Độ tan Tan rất tốt trong nước, tan ít trong ethanol ADI Không xác định Độ tinh khiết 98.0% min Độ ẩm 5.0% max Chất tạo phức ≤ 20 mg/kg Chất khử ≤ 0.5% (như glucose) Đóng gói Thùng 25kg Bảng 9: Lượng sử dụng đề nghị γ-cyclodextrin trong thực phẩm Food Name Proposed Concentration Level (g/kg) Dilution factor Level used in modelling (g/kg) Dry mixes for beverages 10 10 * 1.0 Dry mixes for soups 10 20 * 0.5 Dry mixes for dressings, gravies and sauces 10 5 * 2.0 Dry mixes for puddings, desserts, jellies and fillings 10 6 * 1.7 Instant coffees and teas 10 80 * 0.125 Beverage whiteners 10 - 10 Sugar confectionery (compressed) 10 - 10 Chewing gum 10 - 10 Breakfast foods 20 - 20 Savoury snacks and biscuits 10 - 10 Soy milk products 20 - 20 Table spreads 200 - 200 Dairy desserts 30 - 30 Baked goods 20 - 20 Breads 10 - 10 Fruit based fillings 30 - 30 Fat based fillings 50 - 50 Processed cheese 30 - 30 α-cyclodextrin Β-cyclodextrin Hydroxypropylated Beta Cyclodextrin PhầnV. Thành tựu công nghệ I.Sử dụng limonene làm dung môi: Các hydrocarbon không gây độc có nguồn gốc từ thực phẩm có 6 vòng thành phần không bão hòa và 10 nguyên tử carbon có thể được sử dụng để giúp quá trình sản xuất và tách β- và γ -cyclodextrin dễ dàng hơn như limonene (C10H16) xuất hiện trong các loại dầu chanh, quit, cam, caraway, thì là và bergamot. Bên cạnh đó limonene có ưu điểm là dễ dàng loại bỏ khỏi dung dịch bằng phương pháp jet-cooker, vừa đơn giản, tiết kiệm thời gian và năng lượng lại thu được chế phẩm β- và γ–cyclodextrin với độ tinh khiết cao. Quá trình kết tủa có thể được tiến hành ở nhiệt độ cao hơn vì limonene sẽ kết tủa các cyclodextrin không tan ở 750C. Cơ chế của limonene trong quá trình tách và thu hồi cyclodextrin riêng lẻ bằng lượng khác nhau là 1 hiện tượng phức tạp chưa được hiểu 1 cách thấu đáo và nó rõ ràng không phụ thuộc và độ tan của các cyclodextrin. Limonene cho thấy sự ưu tiên thứ nhất trong khả năng kết tủa β-cyclodextrin nhưng cũng cho thấy sự ưu tiên thứ 2 trong việc kết tủa γ-cyclodextrin trong hỗn hợp ngậm nước chứa cả 3 loại cyclodextrin. II.Các chất dẫn xuất từ cyclodextrin: Trong phân tử cyclodextrin, mỗi đơn vị glucopyranose có 3 nhóm –OH tự do(C(2), C(3) và C(6)), có chức năng và độ hoạt động khác nhau tùy thuộc vào điều kiện phản ứng (pH, nhiệt độ, chất phản ứng). Trên phân tử α-, β- hoặc γ-cyclodextrin có 18, 21 hoặc 24 nhóm –OH có thể được bị biến đổi bằng cách thay thế nguyên tử H hoặc nhóm –OH bởi các nhóm thế khác như alkyl-, hydroxyalkyl-, carboxyalkyl-, amino-, thio-, tosyl-, glucosyl-, maltosyl-, …, hàng ngàn loại dẫn xuất ether, ester, anhydro- deoxy-, acidic, basic, … có thể được xử lý bằng phản ứng hóa học hoặc phản ứng có enzyme xúc tác. Các dẫn xuất được tạo ra nhằm: • tăng độ tan của cyclodextrin (và phức hệ của chúng). • tăng khả năng tương thích và liên kết giữa cyclodextrin và phân tử khách, làm tăng độ bền vững và thiểu khả năng phản ứng và dịch chuyển của phân tử khách. • đính các nhóm chất đặc biệt (xúc tác) vào những vị trí nối (như enzyme). • tạo các polymer, các cấu trúc chứa cyclodextrin cố định, không tan (như trong kỹ thuật sắc ký sử dụng chất phản ứng mắc, độc và ô nhiễm môi trường). III.Ứng dụng và triển vọng phát triển mạnh mẽ trong công nghệ sinh học: Ứng dụng trong chuyển hóa hydrocortisone (là 1 loại hormone steroid) thành prednisone (corticosteroid tổng hợp); làm tăng hiệu suất lên men lanoline (lanacidine) và podophyllotoxin; khử lập thể benzaldehyde thành L-phenylacetyl carbinol; khử độ độc của vanillin cho nấm men, hay các chất độc hữu cơ cho vi sinh vật giải độc,... các dẫn xuất cyclodextrin như 2,6-dimethyl-ßCD, các chất ức chế giống lipid sẽ được tạo phức. lipid-like inhibitor substances are complexed. Vi khuẩn Bordatella pertussis sản sinh ra chất độc pertussis có khả năng sinh sôi rất nhanh nên lượng pertussis toxin cũng tăng rất nhanh. Cyclodextrin và phức tạo với acid béo có thể thay thế huyết thanh động vật có vú trong môi trường nuôi cấy tế bào. Vi khuẩn gây bệnh phong (Mycobacterium leprae) bình thường không thể nuôi cấy trong môi trường in vitro. Nguồn năng lượng quan trọng nhất của vi khuẩn này acid palmitic (hoặc acid stearic). Tuy vậy, các acid này không thể đi qua lớp vỏ bào dày và ưa nước của Mycobacterium. Vì vậy ta sử dụng dimethyl-β-cyclodextrin để tạo lớp vỏ bao giúp các acid béo này dễ dàng đi vào bên trong tế bào vi sinh vật. Khám phá này có ý nghĩa rất lớn trong việc bào chế các loại thuốc chống lại các vi sinh vật có điều kiện nuôi cấy khó khăn khác. VI. Tài liệu tham khảo www.freepatentsonline.com/ www.cyclodextrin.cn www.ebook.edu.vn www.chemicalland21.com