Đề tài Nguyên liệu để sản xuất đuờng nha

MỤC LỤC NGUYÊN LIỆU TINH BỘT: Nguyên liệu để sản xuất đuờng nha là những chất giàu tinh bột. Nguồn tinh bột chứa nhiều trong ngũ cốc (lúa gạo, lúa mì, khoai, ngô, đại mạch, yến mạch,..), củ (khoai tây, sắn...), và một số loài thực vật (đậu). Cấu tạo: Hình 1 : Sự hình thành phân tử tinh bột Phân tử tinh bột được cấu tạo từ hai thành phần chính là amylose và amylopectin. Amylose: chiếm khoảng 20-30% Amylose là một polymer có cấu trúc mạch thẳng, cấu tạo từ gốc α-D-glucopyranosyl liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4-glycoside. Trong cấu trúc của amylose còn có liên kết α-1,6-glycoside nhưng với hàm lượng rất nhỏ vào khoảng 0.3-0.5% Hình 2: Cấu tạo mạch amylose trong phân tử tinh bột Mức độ polymer hóa thay đổi tùy theo nguồn tinh bột, như đối với lúa mì là 1000-2000, đối với khoai tây là 4500. Phân tử lượng của amylose vào khoảng 150-750 kDa. Amylose tồn tại ở dạng xoắn kép. Ngoài ra trong cấu trúc mạch amylose còn chứa một lượng lipid rất nhỏ vào khoảng 0.5-1% và một ít hợp chất của Phospho và Nitơ. Trong đó Phospho thường ở dạng phospholipid, còn Nitơ tham gia vào cấu trúc của enzyme. Amylopectin: chiếm khoảng 70-80% Amylopectin là một polymer có cấu trúc mạch nhánh, cấu tạo từ các gốc α-D-glucopyranosyl liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4-glycoside và α-1,6-glycoside (khoảng 5% tổng số liên kết). Hình 3: Cấu trúc mạch amylopectin trong phân tử tinh bột Mức độ polymer hóa của phân tử amylopectin là khá cao, khoảng vài triệu. Phân tử lượng của amylopectin vào khoảng 104-7.105 kDa. Ngoài ra, trong phân tử còn chứa gốc acid phosphoric. Phân tử amylopectin có cấu trúc xoắn kép và xếp song song nhau. Hình dạng hạt tinh bột đa dạng (hình oval, cầu...) và có kích thước vào khoảng 2-150 µm tùy theo nguồn gốc tinh bột. Tinh bột có cấu trúc vô định hình (trong đó có amylose và phần lớn là amylopectin) và vùng kết tinh (chủ yếu là amylopectin). Vùng kết tinh có cấu tạo chặt, khó bị thủy phân. Hình 4: Cấu trúc vùng kết tinh và vùng vô định hình Tính chất công nghệ và cảm quan của sản phẩm từ tinh bột được quyết định bởi: Tỷ lệ amylose/ amylopectin. Mức độ polymer hóa (tổng số gốc glucose tham gia tạo nên tinh bột): mức độ polymer hóa càng cao thì mạch của tinh bột càng dài và khối lượng phân tử càng cao Mức độ phân nhánh (tức là số liên kết α-1,6 so với liên kết α-1,4): mức độ phân nhánh càng cao thì cấu tạo của phân tử tinh bột càng phức tạp, làm tăng độ nhớt và độ dai cho sản phẩm. Ở đây, nguồn nguyên sử dụng là gạo, vì ở Việt Nam, gạo là 1 nguyên liệu phong phú. Gạo: Hạt tinh bột có hình dạng đa giác đặc trưng và có kích thước 2-10 µm (kích thước nhỏ nhất trong các hạt lương thực). Thành phần glucid chiếm khoảng 75 % khối lượng, chủ yếu tập trung ở nội nhũ. Chủ yếu là saccharose, một ít đường glucose, fructose và rafinose. Hàm lượng protein trong tinh bột gạo không cao và thay đổi trong khoảng rộng 4.3-18.2 %, trong đó glutelin chiếm đa số (gọi là oryzenin). Nhiệt độ hồ hóa là 70- 80 oC. Ngoài ra, ta cũng có thể dùng các loại nguyên liệu khác: Bảng 1: Thành phần hoá học của một số loại ngũ cốc (% khối lượng) Giống hạt Protein Tinh bột Chất béo Cellulose Đường Pentose và các carbohydrat khác Chất khoáng Lúa mì Ngô Yến mạch Đại mạch Gạo tẻ 16 10 12 12 7 60 70 45 55 63 1.9 4.6 5.5 2 2.3 2.8 2.1 14 6 12 4.3 3 2 4 3.6 8 7 13 11 1.5 2.2 1.3 3.8 3.5 6 Hạt lúa mì: Hạt tinh bột có dạng hình cầu, hình bầu dục với đường kính 10-40 µm. Cấu trúc hạt tinh bột có 26 % là amylose. Tinh bột chiếm 50-73 % khối lượng Trong hạt tồn tại hai enzyme α và β-amylase. Trong đó, β-amylase thủy phân 60% tinh bột thành đường maltose. Ngô: Thành phần tinh bột trong ngô chiếm từ 60-70 % khối lượng, trong đó amylose chiếm 28% lượng tinh bột. Thành phần amylose có thể lên đến 70% đối với loại ngô giàu amylose và cũng có thể là 0% đối với loại ngô nếp. Kích thước hạt tinh bột vào khoảng 5-25 µm. Thành phần đường chiếm 1-3 %, cơ bản là đường D-glucose, D-fructose và saccharose. Nhiệt độ hồ hóa tinh bột là 55-67.5oC. Yến mạch: Hàm lượng tinh bột chiếm 55.8-68.3 % khối lượng. cấu trúc hạt tinh bột giống cấu trúc tinh bột gạo. Kích thước hạt tinh bột 2-5 µm. Nhiệt độ hồ hóa thấp là 55oC khi nồng độ là 50 %. Sắn: Sắn là cây lương thực ưa ấm và ẩm, mọc ở nhiều nước nhiệt đới. Sắn là loại tương đối dễ trồng và có thể sinh trưởng trên nhiều loại đất. Thành phần hóa học củ sắn tươi có thể là: tinh bột 20-34 %, protein 0.8-1.2 %, chất béo 0.3- 0.4 %, xellulose 1-3 %, tro 0.54 %, polyphenol 0.1-0.3 %, nước 60-74.2 %. Kích thước hạt tinh bột 5- 40 µm. Tinh bột sắn xốp hơn tinh bột ngô và có hàm lượng amylose 8-29 %. Độ nhớt của tinh bột sắn ít hơn của khoai tây, nhưng lớn hơn ngô. Nhiệt độ hồ hóa: 51-79oC. HỆ ENZYME: Hệ enzym sử dụng trong quá trình sản xuất đường nha là hệ enzym thủy phân tinh bột (chủ yếu là amylase gồm có α-amylase, β-amylase, ngoài ra còn có maltase, sitase, invertase...) Hiện nay có 6 loại amylase, và được chia làm 2 nhóm endoamylase (enzyme nội bào) và exoamylase (enzyme ngoại bào). Endoamylase gồm có α-amylase và nhóm khử nhánh. Exoamylase gồm có β-amylase và γ-amylase. Các loại amylase khác nhau có đặc tính thủy phân khác nhau. Hình 5: Hoạt động của các enzyme amylase khác nhau trên phân tử tinh bột AA-α-amylase (Endo 1,4-α-D-glucan glucanohydrolase) GA-glucoamylase (Exo 1,4-α-D-glucan glucanohydrolase) BA-β-amylase (Exo 1,4-α-D-glucan maltohydrolase) PA-Pullulanase (Endo α-dextrin 6-glucanohydrolase) RE-đầu khử, NRE-đầu không khử F-α-1,6- liên kếtglucoside, G-α-1,4- liên kết glucoside α-amylase: (1,4-α-D-glucan Glucanohydrolase EC 3.2.1.1) Đây là một endoenzyme, xúc tác thủy phân liên kết α-1,4-glycoside trong phân tử amylose và amylopectin. Phân tử lượng của enzyme nằm trong khoảng 45-60 kDa tùy theo nguồn thu nhận. Cơ chế tác dụng của enzyme: α-amylase có khả năng phân cắt các liên kết α-1,4-glycoside của cơ chất một cách ngẫu nhiên. Enzyme này trước tiên thủy phân tinh bột tạo ra các dextrin phân tử lượng thấp, sau đó enzyme này tiếp tục phân hủy các dextrin này tạo ra maltose và glucose. Khả năng dextrin hóa cao của α-amylase là tính chất đặc trưng của nó. Vì vậy người ta còn gọi enzyme này là amylase dextrin hóa hay amylase dịch hóa. Đặc tính: Protein của α-amylase có tính chất của globulin, có tâm hoạt động là nhóm –COOH,– NH3 . Tất cả các α-amylase thu được từ các nguồn khác nhau đều là metalloenzyme. Người ta tìm thấy ion Calci trong phân tử enzyme này. Do đó, trong quá trình thủy phân tinh bột, người ta thường bổ sung ion Calci vào để ổn định hoạt tính của enzyme. Ở nhiệt độ cao, hoạt tính của enzyme  α-amylase được duy trì nhờ ion Calci. Tuy nhiên, đối với α-amylase bền nhiệt thu được từ vi khuẩn B.licheniformis, nhu cầu về ion Calci ở mức tương đối thấp. Điều kiện hoạt động của enzyme này từ các nguồn khác nhau thì không giống nhau. Độ bền của α-amylase phụ thuộc vào nhiệt độ và pH. pH tối thích của enzyme là 5.3-5.8. Nhiệt độ tối thích là 70-75oC. α-amylase có nguồn gốc từ vi khuẩn là enzyme ngoại bào và hoạt động ở vùng pH trung tính. Tuy nhiên, pH tối ưu của enzyme này từ vi khuẩn B.stearothermophilus phụ thuộc vào nhiệt độ. Chế phẩm α –amylase từ vi khuẩn này rất bền nhiệt, nó vẫn có khả năng xúc tác phản ứng thủy phân ngay cả ở nhiệt độ 100oC. Còn của vi khuẩn Bacillus spp có thể hoạt động tại pH cao 9.0 và 11. Chế phẩm α-amylase từ hai loài B.stearothermophilus và B.licheniformis chịu nhiệt nên hiện nay đang được sử dụng nhiều trên thị trường thế giới do hoạt tính của nó vẫn duy trì trong giai đoạn dịch hóa và hồ hóa tinh bột ở nhiệt độ cao. Vì thế làm tăng hiệu quả kinh tế và rút ngắn thời gian sản xuất. β-amylase: (1,4-α-glucan-maltohydrolase) (EC 3.2.1.2) β-amylase phổ biến ở thực vật, đặc biệt là các hạt nảy mầm. Đây là enzyme ngoại bào (exoenzym). Enzyme này có hoạt tính tốt nhất khi thu nhận từ vi khuẩn Clostridium thermosulfurogenes và B.polymyxa. Cơ chế tác dụng của enzyme: β-amylase xúc tác thủy phân liên kết α-1,4-glycoside, cắt từng nhóm maltose từ đầu không khử của mạch phân tử tinh bột, nhưng khi gặp liên kết α-1,4-glycoside đứng kế cận liên kết α-1,6-glycoside thì enzyme ngừng tác dụng. β -amylase Tinh bột maltose (54-58%) + β-dextrin (42-46%) Đặc tính: β-amylase là một albumin, tâm xúc tác có nhóm –SH, -COOH và vòng imidazol của gốc histidine và exoenzyme. Enzyme này không bền khi có mặt ion Calci và bị kìm hãm khi có mặt ion đồng, ion thủy ngân, urea... β-amylase bền acid nhưng chịu nhiệt kém hơn α-amylase. pH tối thích là 5.2-5.6. Nhiệt độ hoạt động tối thích của enzyme là 60-65oC. Sự khác nhau giữa α-amylase và β-amylase khi xúc tác thủy phân tinh bột: β-amylase hầu như không thủy phân các hạt phân tử tinh bột nguyên vẹn nhưng nó phân hủy hồ tinh bột rất mạnh. β-amylase phân giải 100 % amylose thành maltose. β-amylase phân giải 54-58 % amylopectin thành maltose. β-amylase không bền khi có ion Calci. β-amylase chịu nhiệt kém hơn α-amylase nhưng bền acid hơn. β-amylase bị vô hoạt ở 70oC. pHopt = 5.1-5.5, topt = 55oC. Nguồn enzyme amylase thu nhận từ vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, làm tăng hiệu quả của quá trình. Tuy nhiên, trong đa số trường hợp, nguồn enzyme thu nhận được từ vi khuẩn có khả năng bền nhiệt cao hơn cả. Termamyl 120L: đây là 1 chế phẩm enzyme α- amylase chịu nhiệt, pH trung tính ở dạng lỏng, được sản xuất từ dịch nuôi cấy vi khuẩn Bacillus lischeniformis trong phân tử có ion Ca2+ . Nhiệt độ dịch hóa là 90- 1050C, và hoạt động ổn dịnh ở nhiệt độ này nếu có 50- 70 ppm Ca2+. Fungamyl 800L: chế phẩm enzyme α- amylase từ nấm mốc Aspergillus Oryzae, dạng lỏng, chế phẩm này cắt liên kết α- 1,4 glucozit trong phân tử amylase va amylopectin của tinh bột hoặc dextrin, oligosacarit của dịch. Kết quả là 1 lượng lớn maltose được tạo thành. Chế phẩm này được cho thêm vào trong quá trình nấu ở nhiệt độ 55- 600C, pH = 4- 5 để tăng khả năng đường hóa. Bảng 2: Enzyme Amylase từ các nguồn vi sinh vật Vi sinh vật Enzyme Tác dụng Aspergillus awamori Glucoamylase α -Glucosidase Exo Exo A.niger α -Amylase Glucoamylase α -Glucosidase Endo Exo Exo A.oryzae Glucoamylase Exo Bacillus amyloliquefaciens α -Amylase Endo B.licheniformis α -Amylase Endo B.stearothermophilus α -Amylase Endo B.subtilis α -Amylase Endo B.megaterium α -Amylase Endo B.acidopullulyticus Pullulanase Endo Clostridium thermosulfurogens β-Amylase Exo Chalara paradoxa α -Amylase Endo Lactobacillus amylovorus α -Amylase Endo Thermomonospora Maltogenic amylase Endo Bảng 3: Đặc tính enzyme từ một số nguồn vi sinh vật khác nhau Enzyme Nguồn enzyme Khoảng pH Khoảng nhiệt độ (0C) Chất hoạt hóa α-amylase nấm sợi Aspergillus niger A.oryzae A.awamori 4 – 6 50 – 70 α-amylase vi khuẩn Bacillus subtilis B.amylo liquefaciens 6 – 7 60 – 80 Ca2+ α-amylase vi khuẩn chịu nhiệt B.licheniformis B.stearothermophilus 5.5 – 6.5 4.5 – 6.5 90 – 120 Ca2+ β-amylase B.polymyxa 4 – 7 55 – 75 NƯỚC: Yêu cầu về nước dùng để pha chế môi trường dinh dưỡng: Nước dùng trong chế biến phải là nước sạch và mềm. Các chỉ số quan trọng của nước là: độ cứng, độ oxy hóa và vi sinh vật. Độ cứng thể hiện ở ion Ca2+ và Mg2+ trong nước. Các muối bicarbonate của 2 ion này tạo nên độ cứng tạm thời cho nước, khi đun sôi chúng tạo thành dạng carbonate và lắng cặn dưới đáy. Còn các muối của các ion này như: Cl-, SO42-, NO3- thì tạo nên độ cứng vĩnh cửu cho nước và không thể mất đi trong quá trình gia nhiệt cho nước. Độ cứng của nước tính bằng mg-đương lượng cho một lít nước. 1 mg đương lượng = 20.04 mg Ca2+ hoặc 12.16 mg Mg2+/l Độ oxy hóa thể hiện bằng số mg O2/l. Chỉ số vi sinh vật cho biết mức độ nhiễm bẩn của nước, được thể hiện bằng tổng số vi sinh vật và lượng vi khuẩn đường ruột có trong một lít nước mà tiêu biểu là vi khuẩn E.coli. Nước dùng trong chế biến phải đạt tiêu chuẩn làm nước uống và không có mùi vị, không màu, trong suốt và đặc biệt là không có sắt và mùi amoniac, không có các kim loại nặng. Nước phải đạt chỉ tiêu sau đây mới được dùng trong quá trình chế biến: Độ cứng chung (mg – đương lượng) ≤ 7 Hàm lượng muối carbonate ≤ 50 mg/l Hàm lượng muối Mg ≤ 100 mg/l Hàm lượng muối clorua: 75 – 150 mg/l Hàm lượng muối CaSO4: 130 – 200 mg/l Hàm lượng Fe2+ ≤ 0.3 mg/l Khí NH3 : không có Các muối có gốc NO3-, NO2-: không có Vi sinh vật ≤ 100 tế bào/1 cm3 Nước không đạt yêu cầu, trước khi đưa vào chế biến cần phải lọc qua cát sỏi, phùn mù để khử sắt và làm mềm nước bằng cách hấp phụ qua nhựa trao đổi ion. 4) CHẤT ỔN ĐỊNH HOẠT TÍNH ENZYME: Cần bổ sung thêm nguồn Canxi để làm chất ổn định hoạt tính α - amylase thủy phân. Thông thường, ta sử dụng nguồn CaCl2 hoặc Ca(OH)2 II- QUY TRÌNH CHẾ BIẾN QUY TRÌNH 1: Sơ đồ khối:Gạo Xử lý nguyên liệu α-amylase bền nhiệt, nước, Ca2+ Dịch hóa Hồ hóa Sản phẩm Lọc Cô đặc chân không β-amylase Làm nguội Đường hóa Tẩy màu Than hoạt tính Rót bã Giải thích quy trình: Chuẩn bị nguyên liệu: Mục đích: chuẩn bị + Tách tạp chất ra khỏi nguyên liệu + Phân loại hạt, để kích thước hạt sau khi nghiền đồng nhất thì quá trình thủy phân sẽ dễ dàng hơn. + Nghiền để giảm kích thước hạt Quá trình chuẩn bị gồm các bước sau: tách từ, phân loại, nghiền. Tách từ: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình nghiền. Biến đổi: + Vật lý: các hợp chất có từ tính sẽ bị tách ra khỏi nguyên liệu. Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: gạo sẽ đi qua thiết bị tách từ để loại các hợp chất kim loại. Các tạp chất tích điện dính trên bề mặt trục và được tách ra khỏi máy. Thiết bị: máy tách từ Hình 6: Máy tách từ Phân loại hạt: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình nghiền. + Đảm bảo chất lượng nguyện liệu: đồng nhất về kích cỡ, thành phần. + Giúp cho công đoạn tiếp theo diễn ra dễ hơn. Biến đổi: + Vật lý: kích thước hạt đồng đều hơn. Phương pháp thực hiện: nguyên liệu sau khi tách từ sẽ vào 1 thiết bị phân loại hạt. Thiết bị: sử dụng sàng thùng quay. Sàng thùng quay gồm có một ống bằng lưới được truyền động quay với vận tốc 5-10 v/ph. Nguyên liệu cần phân loại vào bên trong ống. Khi ống quay, phần có kích thước nhỏ rơi qua lỗ lưới, phần có kích thước lớn di chuyển dọc theo ống đến đầu kia. Vật liệu di chuyển từ đầu này đến đầu kia được là nhờ ống đựơc đặt nghiêng một góc 2-5o. Năng suất của sàng thùng quay tuỳ thuộc vào kích thước của ống lưới quay, ống càng lớn năng suất càng cao. Kích thước lỗ rây là 1- 1.5 mm, hạt gạo sau khi sàng sẽ được vận chuyển đến máy nghiền bằng vít tải. Ưu điểm của sàng thùng quay là cấu tạo đơn giản, làm việc êm, không gây rung động mạnh như sàng phẳng, không chiếm nhiều mặt bằng. Nhược điểm là không phân riêng được các hỗn hợp có kích thước gần bằng nhau, tỉ lệ sót còn lớn. Nghiền: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình thủy phân tinh bột. Hạt được nghiền mịn để có kích thước nhỏ, giúp cho việc trộn với nước được dễ dàng hơn. Biến đổi: + Vật lý: kích cỡ hạt nhỏ đi nhiệt độ tăng do ma sát. Phương pháp thực hiện: nguyên liệu sau khi tách tạp chất sẽ qua thiết bị nghiền. Ở đây, ta sử dụng phương pháp nghiền khô. Nguyên liệu sẽ được làm nhỏ nhờ sự va đập của búa vào vật liệu và sự chà sát của vật liệu giữa búa và thành thiết bị. Các hạt có kích thước nhỏ hơn lỗ sàng sẽ đi qua sàng còn những hạt có kích thước lớn hơn sẽ tiếp tục được nghiền. Thiết bị và thông số công nghệ: sử dụng máy nghiền búa. Kích thước của vật liệu đem nghiền đạt được 0.25 mm (kích thước lỗ rây). Vận tốc của trục lắp búa là 1800- 2700 vòng/ phút. Hình 7: Máy nghiền buá Hình 8: Quá trình thủy phân tinh bột Hồ hóa: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình đường hóa. Biến đổi: + Vật lý: nhiệt độ tăng, thể tích hạt tinh bột tăng lên + Hóa lý: tinh bột hút nước dưới tác dụng của nhiệt độ. Các hạt nước chui vào các hạt tinh bột, giúp nó trương nở đến cực đại, thể tích tăng và độ nhớt tăng cao. Tuy nhiên, quá trình thủy phân 1 phần tinh bột nhờ enzyme α-amylase tạo thành những dextrin mạch ngắn hơn, có tác dụng làm giảm độ nhớt của hồ tinh bột( giảm hiện tượng hồ tinh bột dính vào thành thiết bị), đồng thời giúp cho quá trình đường hóa sau này diễn ra nhanh chóng và dễ dàng hơn. + Hóa sinh: xảy ra phản ứng thủy phân một phần tinh bột tạo thành các dextrin nhờ anzyme α-amyalse. - Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: + Nước, chế phẩm enzyme amylase, Ca(OH)2 cùng với nguyên liệu sau khi nghiền được cho vào Henze cooker và khuấy trộn. + Tinh bột được hòa trộn với nước lạnh với tỷ lệ là 20 – 25% tinh bột, bổ sung thêm α-amylase chịu nhiệt với một lượng 1500 IU/kg khối lượng khô (tức khoảng 0.5-0.6 kg/tấn), 50- 150 ppm Ca2+. Ion Calci được bổ sung dưới dạng Ca(OH)2 nhằm mục đích ổn định hoạt tính của enzyme α-amylase, và tạo môi trường pH cho hỗn hợp. Dùng enzyme α- amylase thu nhận từ vi khuẩn chịu nhiệt Bacillus licheniformi, tên thương mại của enzyme này là Termamyl. Nhiệt độ hoạt động tối ưu là 90-105oC, bị mất hoạt tính ở 120oC, khoảng pH tối ưu là 5.8-8.0. + Tăng nhiệt độ của khối tinh bột- nước lên 90 0C, pH= 5.8- 8.0, có kết hợp khuấy đảo, thời gian dừng 20 – 30 phút - Thiết bị: Henze cooker Dịch hóa: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình đường hóa. Biến đổi: + Vật lý: nhiệt độ tăng. + Hóa học: cấu trúc các hạt tinh bột bị phá hủy. +Hóa lý: Sau khi hồ hóa, tiếp tục gia nhiệt, làm cho nước bay hơi và các phân tử nước trong các hạt tinh bột cũng bay hơi, độ nhớt giảm. + Hóa sinh: Khi quá trình hồ hóa kết thúc, huyền phù tinh bột cùng với enzyme được gia nhiệt đến 1050C. Lúc này, hoạt tính enzyme amylase đạt đến tối ưu, tiếp tục phân cắt phân tử tinh bột thành các dextrin, làm độ nhớt của hồ tinh bột giảm mạnh. Quá trình dịch hóa diễn ra nhanh. Mức độ dịch hóa càng cao thì quá trình thủy phân tinh bột thành đường sẽ diễn ra càng nhanh, hiệu suất càng cao. Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: dịch hồ tiếp tục được gia nhiệt đến nhiệt độ t0 = 1050C, thời gian dừng 30 phút. Thiết bị: quá trình hồ hóa và dịch hóa xảy ra trong cùng 1 thiết bị Henze Cooker. Hình 9: Henze cooker Làm nguội: Mục đích: chuẩn bị. Đây là quá trình chuẩn bị cho giai đoạn đường hóa tiếp theo. Dung dịch cần được làm nguội xuống nhiệt độ thích hợp để bổ sung enzyme vào, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme hoạt động và thủy phân tinh bột thành đường. Biến đổi: + Vật lý: nhiệt độ giảm. + Hóa lý: độ nhớt tăng. Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: cho dịch sau khi dịch hóa được bơm vào Mash Tub, và được làm nguội trong thiết bị này nhờ vỏ áo và “ ruột gà”. Đường hóa: Mục đích: chế biến Đường hóa là quá trình thủy phân tinh bột thành đường, chủ yếu sản phẩm thu nhận ở đây là maltose, maltosetriose, oligosacchride và glucose.. Biến đổi: + Vật lý: nhiệt độ giảm + Hóa học: sự thay đổi thành phần các chất, tăng hàm lượng đường. + Hóa sinh: xảy ra phản ứng thủy phân do enzyme β- amylase xúc tác. + Cảm quan: tăng độ ngọt Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Dịch sau khi hồ hóa và dịch hóa sẽ thoát ra từ đáy của Henze cooker, được bơm vào Mash tub ở phía đỉnh. Sau đó, dịch cần được làm nguội, bằng cách cho nước lạnh t= 100C vào vỏ áo, và “ruột già”, khi dịch đạt nhiệt độ 55- 65 0C thì ta bổ sung chế phẩm β-amylase vào với hàm lượng 2000 IU/kg. Lúc này, người ta điều chỉnh pH về 5.5 bằng một lượng acid phosphoric thích hợp. Giữ nhiệt độ của thùng luôn ổn định ở 55- 650C. Ở giai đoạn này, để sản xuất đường nha, thành phần của hỗn hợp đường sau thủy phân phải có lượng maltose chiếm đa số, và một số loại đường khác. Sau khi kết thúc giai đoạn này, thành phần hỗn hợp đường thu được là 56% maltose, 28% maltotriose, 12% các oligosaccharide và 4% D-glucose. Thiết bị: mash tub: là một nồi có hệ thống cánh khuấy, có lớp vỏ áo và hệ thống ống ruột gà, giúp hạ nhiệt nhanh chóng. Hình 10: Mash tub Tẩy màu: Mục đích: hoàn thiện. Quá trình tẩy màu với mục đích hoàn thiện sản phẩm: loại các chất màu carotenoide, chlorophyll..., chất mùi, loại các tạp chất. Biến đổi: + Cảm quan: dung dịch trong hơn. + Hóa lý: cặn bẩn được hấp phụ trên bề mặt của than hoạt tính. Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Phương pháp tẩy màu sử dụng phổ biến ở đây là sử dụng than hoạt tính hấp phụ các chất màu lên bề mặt. Than hoạt tính là một loại vật liệu có độ xốp cao, bề mặt riêng dao động trong khoảng 500 – 1500 m2/g. Nhờ đó, than hoạt tính có thể hấp phụ chất màu , mùi và một số hợp chất cao phân tử có chứa Nitơ. Dịch nha sau khi đường hóa được đưa vào thùng có cánh khuấy, gia nhiệt đến khoảng 70-75oC để làm giảm độ nhớt của dịch nha, sau đó bổ sung thêm than hoạt tính, tỷ lệ than sử dụng là 0.3 – 0.75 % so với lượng chất khô có trong dịch nha. Thông thường, ta chuẩn bị sẵn huyền phù than trong nước với nồng độ 15% để bổ sung vào dịch nha. Thời gian hấp phụ các chất màu và tạp chất là 25 – 30 phút. Thiết bị: sử dụng thùng có cánh khuấy và có lớp vỏ gia nhiệt. Lọc : Mục đích: Đây là quá trình chuẩn bị cũng như hoàn thiện sản phẩm. Quá trình lọc nhằm tách bỏ than hoạt tính và các cặn trong dịch. + Chuẩn bị cho quá trình cô đặc tiếp theo. + Hoàn thiện chất lượng sản phẩm. Biến đổi: + Cảm quan: tăng độ trong. Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Quá trình lọc được sử dụng máy lọc khung bản. Thiết bị: máy lọc khung bản Các khung và bản có cùng kích thước xếp liền nhau trên khung máy. Hình dạng của bản có thể là hình vuông, chữ nhật hoặc tròn. Bản thường đứng, nhưng trong một vài máy lọc thì khung và bản được đặt ngang. Khung rỗng bên trong và bên trên có lỗ để cho dịch lọc có thể đi vào. Kích thước bản: rộng có thể từ 6 – 56 inch, dày từ 1/4 – 2 inch. Kích thước khung: dày từ 1/4 – 8 inch. Dịch nha sau khi được bơm vào máy, chất rắn được giữ lại trên bề mặt vải của bản. Dịch lọc qua lớp vải, xuống rãnh trên bề mặt của bản, và ra ngoài. Sau khi buồng ép đầy, bã được thổi khí (không khí hoặc khí Nitơ) để tách hết phần dư đến có thể. Sau đó bã được tháo ra ngoài. Thời gian lọc từ 2 – 8 giờ tùy thuộc vào hiệu suất lọc. Nhiệt độ lọc 70 – 75oC. Áp suất lọc thay đổi từ 0.3 – 1 MPa. Năng suất lọc từ 10000 lb/h (khoảng 4500kg/h). Hình 11:Lọc khung bản Cô đặc chân không: Mục đích: hoàn thiện, bảo quản. + Tăng nồng độ chất khô trong sản phẩm bằng cách làm bay hơi đáng kể lượng nước trong dịch nha, tạo cho sản phẩm có một độ đặc dính. + Kéo dài thời gian bảo quản (vì hạn chế vi sinh vật phát triển do ít nước, áp suất thẩm thấu cao). Đồng thời, quá trình cô đặc ở nhiệt độ cao giúp tiêu diệt hết các vi sinh vật bị nhiễm vào. + Giảm được khối lượng vận chuyển. + Sản phẩm sau cùng thu được chứa khoảng 20% nước. Biến đổi: + Vật lý: nhiệt độ tăng, khối lượng riêng tăng, nhưng hệ số truyền nhiệt giảm, hàm lượng không khí hòa tan trong sản phẩm cũng giảm. + Hóa lý: Dịch nha là một hệ của nhiều chất hòa tan như đường, acid, muối, còn chứa cả các chất không tan như tinh bột, cellulose ở trạng thái huyền phù. Khi cô đặc, nước bay hơi, nồng độ chất hòa tan tăng dần làm dung dịch trở nên đặc , độ nhớt tăng . + Sinh học, hóa sinh: Hầu hết các vi sinh vật cũng như enzyme bị vô hoạt trong quá trình cô đặc do nồng độ cơ chất cao, áp suất chân không. Thực hiện và thông số công nghệ: dịch nha, sau khi đã được lọc sẽ được đi qua thiết bị cô đặc, để tạo độ đặc cho sản phẩm cuối cùng. Nguyên liệu được nạp vào bằng bơm pittong đến ngập bề mặt truyền nhiệt. Nhiệt độ cô đặc 65 0C. Áp suất hơi đốt là 1.25 at. Độ chân không của buồng bốc là 600-700 mmHg. Sản phẩm có thể lấy ra gián đoạn hay liên tục. Theo tính toán, khoảng 72% lượng nhiệt sử dụng dùng để bốc hơi nước, và 5.6% là theo sản phẩm ra ngoài. Thiết bị: cô đặc chân không, 1 nồi. Thiết bị dùng cô đặc các sản phẩm dạng lỏng và làm tăng khả năng bay hơi của dung môi, tăng khả năng thẩm thấu chất hòa tan vào sản phẩm, giữ được màu sắc, mùi vị đặc trưng và trạng thái của sản phẩm. Đồng thời làm giảm khả năng tạo cặn và sự bay hơi nước xảy ra liên tục. Hình 12: Sơ đồ hệ thống cô đặc chân không 1- thiết bị cô đặc chân không, 2- tháp ngưng tụ hơi thứ, 3- bơm chân không, n.t- dịch đường có nồng độ thấp, sp- dịch đường nha có nồng độ cao, h.d- hơi đốt, n.n- nước ngưng, h.t- hơi thứ, n- nước mát, k- nước không ngưng. Trung tâm Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm chế tạo ra loại thiết bị cô đặc chân không dạng thùng quay có nhiều tính năng hơn, và 1 tính năng đó là khả năng cô đặc các sản phẩm dạng hỗn hợp. Cấu tạo của thiết bị: Thiết bị gồm một thùng chứa hai vỏ làm bằng inox, được quay quanh một trục nghiêng nhờ hệ thống ổ trục, bánh răng, động cơ. Bên trong thiết bị có các gờ để tăng hiệu suất truyền nhiệt giữa các pha, tăng khả năng bốc hơi của dung môi. Độ chân không trong thiết bị được tạo ra nhờ hệ thống bơm chân không. Áp suất chân không tối đa đạt 730 mmHg. Trong quá trình làm việc, thùng chứa được quay, làm toàn bộ khối hỗn hợp (quả, miếng và dịch) cùng quay nên sản phẩm không bị vỡ nát mà hiệu suất cô đặc vẫn đạt yêu cầu. Hình 13: Thiết bị cô đặc chân không dạng thùng quay. Hình 14: Thiết bị cô đặc chân không dạng thùng quay (có thể có thêm cánh khuấy, hay cô đặc 1 nồi, nhiều nồi) QUI TRÌNH 2: 2.1) Sơ đổ khối: Dịch hóa Gạo α-amylase bền nhiệt, nước, Ca2+ Xử lý nguyên liệu Hồ hóa β-amylase Làm nguội Đường hóa Trao đổi ion Sản phẩm Cô đặc chân không Rót Giải thích quy trình: Ở qui trình 2, ta thay quá trình tẩy màu bằng quá trình trao đổi ion. Trao đổi ion: Mục đích: chuẩn bị và hoàn thiện. + Chuẩn bị: cho quá trình cô đặc tiếp theo. + Hoàn thiện chất lượng sản phẩm, loại bỏ các chất không tốt cho sàn phẩm. Biến đổi: + Cảm quan: dịch nha sẽ trong hơn. + Hóa lý: các chất màu, chất mùi, protein, các tạp chất tích điện sẽ bị giữ lại trên các cationit và anionit. Thực hiện và thông số công nghệ: Sau khi đường hóa, cho dịch nha đi qua thiết bị trao đổi cation và trao đổi anion. Bản chất của phương pháp là sự tương tác giữa dịch nha với pha rắn có chứa sẵn các ion, có thể đổi chỗ với cá ion có trong nguồn dịch cần xử lý. Trao đổi cation dùng các hạt nhựa polystyrene- divinylbenzen có gắn 1 số ion dương, như H+ , - SO3H, -COOH, -OH gọi là cationit. Trao đổi anion dùng các hạt nhựa trên nhưng gắn vào đó 1 nhóm amin, gọi là anionit. Ngoài tính chất trao đổi ion dương và âm ( tạp chất) trong dung dịch, các chất trao đổi ion dùng trong công nghiện này còn có tính hấp phụ, hấp phụ tốt các aminoacid, furrurol, những hợp chất hữu cơ khác, khả năng tách màu tăng lên. Nhiệt độ thực hiện: 550C. Thiết bị: thiết bị trao đổi ion. Đây là 1 thùng hình trụ, có đáy đĩa, chịu áp lực và có các công tắc khác. Chiều cao tầng nhựa từ 1- 1.5m. Hướng chuyển động của dung dịch từ trên xuống, nhựa như là 1 tấm đệm, cách đơn giản nhất để đỡ tầng nhựa là đổ đầy cát vào đáy của thùng. Đồng thời, lớp cát này có chức năng hạn chế sự chảy trôi của các hạt nhựa trao đổi ion theo dòng ra của dịch nha đã qua xử lý. Hình 15: Thiết bị trao đổi ion. SO SÁNH 2 QUI TRÌNH: 2 qui trình đưa ra, chỉ khác nhau ở quá trình tẩy màu, ở giai đoạn hoàn thiện sản phẩm và chuẩn bị cho quá trình cô đặc. Tẩy màu bằng than hoạt tính Tẩy màu bằng trao đổi ion Quá trình lọc Sau khi dùng than hoạt tính, phải có quá trình lọc để tách tạp chất và than. Không cần có quá trình lọc. Vật liệu sử dụng Than hoạt tính, là chất dễ kiếm, rẻ tiền. Nhựa có gắn các chất trao đổi ion với dịch nha, đắt tiền hơn. Nhiệt độ quá trình 70- 75 0C 550C Thiết bị Cồng kềnh hơn, do có thêm thiết bị lọc; nhưng thiết bị ít tiền hơn. Chỉ cần 1 thiết bị là hoàn thành quá trình tẩy màu, thiết bị tốn kém hơn. Năng lượng Tốn kém hơn, do ta phải tốn năng lượng để tăng và giữ nhiệt độ cao trong suốt quá trình thực hiện, năng lượng để vận chuyển dịch qua thiết bị lọc. Ít tốn kém hơn. Chất lượng sản phẩm Do nhiệt độ cao hơn, nên sản phẩm có thể bị ảnh hưởng, màu có thể bị sậm hơn, khả năng có cặn còn sót lại trong dịch là cao hơn. Chất lượng dịch nha là tốt hơn: tạo độ trong và tinh khiết cao hơn so với phương pháp dùnh than hoạt tính. Hiệu suất thu hồi Tổn thất nhiều hơn, do dịch đượcvận chuyển nhiều lần, lọc cũng làm thất thoát 1 lượng dịch nha. Tăng hiệu suất thu hồi, tổn thất giảm thiểu tối đa. III- TIÊU CHUẨN CHO SẢN PHẨM ĐƯỜNG NHA Chỉ tiêu sản phẩm của ISO: Chỉ tiêu cảm quan: + Dịch nha, lỏng, sánh, đồng nhất, không có tạp chất. + Dịch nha trong suốt, không màu hay có màu vàng nhạt. + Vị ngọt nhẹ, đặc trưng, và không có mùi lạ. Chỉ tiêu hóa lý và vi sinh: Hàm lượng chất khô ≥70% Chỉ số DE ≥42% Chỉ số pH 4.6-6.0 Maltose ≥40% Nhiệt độ đun sôi ≥1300C Hàm lượng tro sulfate < 0.6% Chì ≤ 0.5 mg/kg Asen ≤ 0.5 mg/kg E.Coli ≤ 30IU/100g Vi khuẩn ≤ 3000IU/g Samonella Không có Chỉ tiêu của nhà máy bánh kẹo BIBICA: Chỉ tiêu vi sinh: + Tổng số vi khuẩn hiếu khí: 104 khuẩn lạc/g. + Tổng số nấm men, nấm mốc: 100 khuẩn lạc/g. + Coliforms : 10 khuẩn lạc /g. Chỉ tiêu hóa lý : + DE (hàm lượng đường khử tính trên % chất khô) : 50 – 75 + Bx (hàm lượng chất khô ở 200C) : 74 – 82 + pH (dung dịch mẫu 50% mẫu) : 4,5 - 6.0+ Tro sulfat (%) : < 0,1 - 0.5 + Chì : ≤ 0.5 mg/kg + Asen: ≤ 0.5 mg/kg Chỉ số DE ở đây có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của khách hàng. IV- THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ: 1- Phương pháp sản xuất đường nha có nồng độ maltose cao Với đặc trưng sản phẩm có độ ổn định cao, độ nhớt thấp, vị ngọt thanh, hàm ẩm thấp và là loại đừơng mà cả những người bệnh tiểu đường cũng sử dụng được, đường nha có nồng độ maltose cao ngày càng được nhiều nhà sản xuất quan tâm để đưa ra phương pháp sản xuất hiệu quả nhất. Tinh bột sẽ được đem đi hồ hoá và dich hoá với sự bổ sung chế phấm TERMAMYL 120L ở pH 5.7- 6.5 trong khoảng 1- 2h đến khi dịch thuỷ phân có DE<4 (có thể là <6, <10 tuỳ theo yêu cầu sản phẩm). Sau đó gia nhiệt hỗn hợp lên 1400 trong vài giây để làm mất hoạt tính α- enzyme amylase. Tiếp đó pH được điều chỉnh 5_5.5 ở nhiệt độ 550C để bắt đầu quá trình đường hoá. Chế phẩm PULLULANASE, tên thương mại là PULLUZYME 750L_ABN) và maltogenic (α- amylase maltogenase 4000L) từ 0,1- 0,3 % lượng chất khô được bổ sung vào ở giai đoạn đầu của quá trình đường hoá. Sau 48h, khi khối lượng maltose đạt 75% khối lượng sản phẩm thuỷ phân, ta cho chế phẩm enzyme β- amylase với tên thương mại là SPEZYME BBA1500_GENENCOR vào. Quá trình đường hoá kéo dài khoảng 72h, khi lượng maltose đạt khoảng 87% khối lương sản phẩm thuỷ phân thì kết thúc. Với phương pháp thủy phân trên, sản phẩm cuối cùng thu được có thành phần như sau: 6.6% glucose, 96% maltose, 1,6% DP3, 3.5% DP4, 2.3% DP5. Nếu ta sử dụng isoamylase tên thương mại là HAYASHIBARA ở pH=4.7 trong 48h đầu của quá trình đường hoá thay cho Pullulanase thì cho ra sản phẩm: 7.2% glucose, 88.2% maltose, 3.22% DP3, 2.4% DP4. Điều này cho thấy hoạt tính của Pullulanase mạnh hơn isoamylase. Nếu ta đường hoá chỉ với maltogenase trong 48h, sau đó mới bổ sung chế phẩm SPEZYME và PUlLUZYME 250 thì sau 72h, sản phẩm thuỷ phân thu được có thành phần: 6.3% glucose, 84.1% maltose, 1.8% DP3, 2.6% DP4, 5.2% DP5. Nếu khi sản phẩm thuỷ phân vừa đạt khoảng 30% khối lượng là maltose, ta bổ sung glucose oxidase 0.7% lượng chất khô với tên thương mai là FRIMOX và catalase 4.8% lượng chất khô ở pH= 6, có bổ sung soda, 350 C trong 7h thì hàm lượng glucose thu được <0.5% Như vậy người ta muốn hạ hàm lượng glucose thu được trong dịch thuỷ phân càng thấp càng tốt để thu được đường nha chứa hàm lượng maltose cao bằng cách sử dụng enzyme maltogenic thuỷ phân phân tử maltotriose thành glucose và maltose sau đó sử dụng chế phẩm thô glucose oxidase và catalase với tên thương mai là NOVOZYM Dưới tác dụng của enzyme oxidation hay vi khuẩn oxi hoá, raising agent thì glucose sẽ bị chuyển hoá thành alcohol và được loại ra bằng quá trình bốc hơi cô đặc sau này. Sự có mặt của glucose với hàm lượng lớn dẫn đến sự khó hình thành tinh thể maltitol, giảm số tinh thể kết tinh của sản phẩm khó đáp ứng được yêu cầu của một số loại sản phẩm ví dụ như chocolate. Tuy nhiên với sản phảm không có sự có mặt của glucose, độ sệt của sản phẩm giảm, hàm ẩm giảm và độ ẩm cân bằng không ổn định. Sản phẩm thuỷ phân sẽ được lọc, tách tạp chất bằng phương pháp sắc kí hay ở đây ta có thể dùng công nghệ vi lọc bằng membrane. Membrane với những lỗ được cấu tạo từ nhiều loại polymer và copolymer ví dụ như polysufones, polyamides, polyacrylonitrates, polycarbonates, polyfurants…Theo đó, những chất không phải là maltose như những phần giàu glucose hay các oligosaccharide lọc từ membrane hay máy sắ kí sẽ được tái sử dụng ngược dòng quá trình đường hoá. Dịch lọc thu được sẽ qua một quá trình để chuyển hoá lượng glucose thành alcohol, tách bằng quá trình bốc hơi cô đặc và qua màng trao đổi anion- nhựa trao đổi ion để có thể thích hợp với các acid yếu ví dụ như gluconic acid hay các acid của quá trình oxi hóa glucose. 2- Việc sản xuất maltose liên tục sử dụng hệ thống enzym kép cố định Một hệ thống enzym kép cố định của β-amylase cố định và pullulanase được nghiên cứu trong việc sản xuất maltose liên tục. Những hạt chitosan có lỗ xốp đã được lựa chọn từ nhiều chất mang thương mại như là một chất mang thích hợp nhất để cố định β-amylase. Tính chất của enzym cố định được kiểm tra và so sánh với những enzym tự nhiên. pH thích hợp nhất của β-amylase cố định làm biến dạng nhẹ mạch nhánh ankan và sự ổn định của pH tăng lên. Nhiệt độ thích hợp nhất của enzym cố định tăng lên khoảng 5oC và sự ổn định nhiệt của enzym không thay đổi so với enzym tự nhiên. Sử dụng hệ thống enzym cố định của β-amylase cố định và pullulanase, ta phải kiểm tra hiệu quả vận hành. Để giữ một hàm lượng maltose cao hơn 75% (w/w), cần phải hoạt động ở vận tốc khoảng không <0.6 hr-1 với nồng độ cơ chất <25% (w/w) dưới những điều kiện phản ứng tối thích. Hệ thống enzym kép do đó có hiệu quả trong việc làm tăng lượng maltose trong sản phẩm. 1000 IU β-amylase được cố định trên 1 g hạt chitosan có lỗ xốp, hoạt tính biểu hiện của 134 IU/g. 1000 IU pullulanase được cố định trên 1 g chitosan, hoạt tính biểu hiện của 90 IU/g. Điều kiện vận hành tối ưu và tính chất của β-amylase cố định: pH tối ưu, nhiệt độ tối ưu, sự ổn định pH, tính ổn định nhiệt, giá trị Km và hiệu quả của những ion kim loại khác nhau, một vài chất kìm hãm trên β-amylase cố định và tự nhiên đã được kiểm tra. Điều kiện phản ứng tối ưu và tính chất của β-amylase cố định: pH tối ưu của enzym cố định là 7.0 và hoạt tính thấp hơn enzym tự nhiên trên vùng acid, pH tăng bởi sự cố định. Nhiệt độ tối ưu của enzym cố định là 65oC cao hơn enzym tự nhiên 5oC. Tính ổn định nhiệt của enzym cố định hầu như cũng tương tự enzym tự nhiên. Hầu hết tất cả những ion kim loại được kiểm tra không có nhiều khác biệt về hiệu quả trên enzym cố định khi so sánh với enzym tự nhiên. Hoạt tính của enzym tự nhiên mất hoàn toàn bởi việc thêm vào 1 mM Cu 2+ , Hg 2+, hay Ag 2+, trong khi những ion kim loại này có ảnh hưởng rất ít lên hoạt tính của enzym cố định. Tác động của điều kiện vận hành trong quá trình sản xuất maltose liên tục sử dụng hệ enzym kép và đơn + Hệ enzym cố định cho sản lượng maltose cao hơn khoảng 15%(w/w) so với hệ enzym đơn ở một cơ chất DE 8. + Khi nồng độ cơ chất giảm, lượng maltose của sản phẩm trong hệ enzym kép tăng lên. Ngược lại, sự thay đổi nồng độ cơ chất không tác động lên lượng maltose trong hệ enzym đơn. + Sự so sánh của quá trình sản xuất maltose liên tục sử dụng hệ enzym kép và đơn. Lượng maltose duy trì >65% trong vòng 500 h với hệ enzym kép, trong khi với hệ đơn, sản lượng khỏang 55% (w/w) dưới cùng điều kiện vận hành. Do đó, hệ kép hiệu quả hơn trong việc tăng sản lượng maltose. VI)- TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Việt Mẫn, Công nghệ sản xuất nước uống, NXB Đại học quốc gia, 259p. Bùi Ái, Công nghệ lên men ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, NXB Đại học quốc gia, 235p. Trần Thị Thu Trà, Công nghệ bảo quản và chế biến lương thực, NXB Đại học quốc gia, 480p. Peter C.Moris, James H.Bryce, Cereal biotechnology, Crops. 252p Gavin Owens, Cereal processing technology, Cereal products, 256p http//www.sinhhocvietnam.com/vn/