BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CẤP NHÀ NƯỚC BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN SẢN
XUẤT SORBITOL CÓ ĐỘ SẠCH CAO TỪ NGUỒN TINH
BỘT SẮN ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH DƯỢC, HÓA MỸ
PHẨM VÀ THỰC PHẨM

Mã số: ĐTĐL.2007G/18 Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Mai Ngọc Chúc
8421

Hà Nội 03/2010

1
MỞ ĐẦU
Sorbitol, sản phẩm khử hóa D – glucoza hiện đang được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực kĩ thuật và công nghệ. Nó là thành phần quan trọng của chất
hoạt động không ion cho công nghiệp xây dựng, công nghiệp chất tẩy rửa, làm
phụ gia an toàn sinh học cho công nghiệp thực phẩm.
Việt Nam có nguồn tinh bột sắn rất dồi dào, đạt sản lượng 8 triệu tấn/năm,

glucoza tinh khiết (độ sạch > 98%). Vậy khi triển khai sản xuất, nếu sử
dụng nguyên liệu glucoza Việt Nam, hiệu suất sản phẩm và thời gian
sống của xúc tác có bị ảnh hưởng không? Vấn đề xử lý và bảo quản
nguyên liệu và sản phẩm?
- Các xúc tác sử dụng trong các nghiên cứu trên là những xúc tác được
điều chế trong phòng thí nghiệm, với lượ
ng nhỏ. Vậy khi triển khai sản
xuất, sử dụng xúc tác công nghiệp hoặc xúc tác được điều chế một cách
công nghiệp theo đơn đặt hàng thì hiệu suất sản phẩm có bị ảnh hưởng
không? Thời gian sống của xúc tác kéo dài bao lâu?
- Suất tiêu tốn xúc tác trên một kg sản phẩm là bao nhiêu?
Vì lý do đó, trong năm 2007, chúng tôi tiếp tục được giao nhiệm vụ đề tài
của tổng công ty “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xu
ất sorbitol có độ
sạch cao từ glucoza phục vụ việc triển khai sản xuất thử nghiệm ở qui mô lớn
hơn. Cụm từ “nghiên cứu hoàn thiện công nghệ” ở đây có nghĩa là kế thừa
những kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm trên nguyên liệu glucoza
tinh khiết và xúc tác điều chế trong phòng thí nghiệm, tiến hành nghiên cứu với
nguyên liệu là glucoza Việt Nam trên xúc tác điều chế một cách công nghiệp
theo đơn đặ
t hàng. Tuy nhiên, do thời gian và kinh phí có hạn nên những vấn
đề đặt ra ở trên vẫn chưa được giải quyết triệt để.
Chính vì thế, trong đề tài này chúng tôi đề ra mục tiêu: “ Nghiên cứu quy
trình công nghệ tiên tiến sản xuất sorbitol có độ sạch cao từ nguồn tinh bột sắn
ứng dụng trong ngành dược, hóa mỹ phẩm và thực phẩm”, nhằm nhân rộng
quy mô sản xuất và ứng dụng sorbitol ở Việt Nam.


Ngoài ra còn có các tên gọi khác:
D-glucohexitol, sorbite, sorbol, D-glucitol,
hexa-ancol, E420.
- Khối lượng phân tử:
M = 182,17 đvC.
- Nhiệt độ nóng chảy 110
0
C.

4
Tinh thể sorbitol không màu, hút ẩm, có vị ngọt mát, độ ngọt bằng khoảng
60% so với đường mía. Sorbitol mang hàm lượng calo thấp, có tính giữ ẩm,
kháng khuẩn và là một chất ổn định. Trong cơ thể người khoẻ mạnh, 1g
sorbitol sinh 3994 cal (trong khi 1g đường mía sinh 3940 cal). Tinh thể hydrat
của nó tan chảy một phần ở nhiệt độ dưới 100
o
C [1].
Bảng 1.1 Các thông số kĩ thuật của sorbitol tại các nồng độ khác nhau
Nồn
g
độ
(%)
Các chỉ số
5 10 25 50 60 70 83
d
20
4
1,014 1,038 1,099 1,198 1,249 1,299 1,391
Độ nhớt ở 20°C (cP) 1,230 1,429 2,689 11,09 35,73 185 >10000
Nhiệt độ sôi (

1.1.2 Các chỉ tiêu chất lượng của sorbitol
Trên thị trường, sorbitol được bán dưới dạng lỏng và rắn. Bảng 1.3 giới
thiệu một số đặc tính của các dạng sorbitol thương phẩm [2].
Bảng 1.3 Đặc tính của các dạng sorbitol thương phẩm
Đặc tính tiêu chuẩn
TT Thông số
Đơn
vị
Lỏng Bột
1
Vẻ bề ngoài
-
Siro trong suốt, gần
như không màu
Bột màu trắng
2 D-Sorbitol % 68,0-71,0 96,0 min
3 pH - 6,0-7,0 (10% 5,0-7,0 (1%
4 Tỷ trọng g/ml 1,28-1,31 1,45-1,50
5 Đường tổng % 0,5 max 0,5 max
6 Đường khử % 0,1 max 0,15 max
7 Clo Ppm 50 max 100 max
8 Sulphat Ppm 100 max 150 max
9 Kim loại nặng (Pb) Ppm 0,5 max 0,8 max
10 Asen Ppm 2,0 max 3,0 max
11 Độ ẩm % 28,0-31,0 max 1,0 max
12 Chỉ số khúc xạ - 1,455-1,465 - 6
1.2 ỨNG DỤNG CỦA SORBITOL

Trong ngành sản xuất thuốc lá, sorbitol có tác dụng ngăn ngừa sự vỡ vụn
của sợi thuốc lá và là chất dịu vị trong thuốc lá nhai. Sorbitol còn có ứng dụng
trong ngành tổng hợp polyme (như chất ổn định và chống oxy hoá), ngành chế
biến polyme (chất dẻo hoá dùng trong kỹ thuật đúc phun), ngành điện hoá và
ngành dệt.
Bảng 1.4 Các tính chất và ứng dụng của Sorbitol
L
ĩnh vực
Tính chất Ứng dụng
Thực
phẩm
- Tăng thời gian bảo quản
- Làm dịu vị
- Giữ ẩm
- Làm ngọt
- Tạo nhũ
- Không ảnh hưởng đến hàm lượng đường
trong máu
- Không làm hỏng răng (không lên men)
Chế biến thực phẩm
- Kẹo cao su
- Sôcôla
- Bánh mỳ
- Đồ uống
- Kem
Mỹ
phẩm
- Giữ ẩm
- Không làm hỏng răng
- Hoá dẻo

loại nặng
- Chất tẩy rửa
- Công nghiệp giấy,
vải, da
- Gelatin
- Keo dán
- Loại sự oxy hoá của
dầu bởi các kim loại
nặng
- Thuốc nổ
- Sơn và verni
- Polyuretan
- Ete nhựa thông
1.3 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ TIÊU THỤ SORBITOL
1.3.1 Trên thế giới
Năm 1992, tổng sản lượng sorbitol trên toàn thế giới ước tính khoảng
650 000 tấn dung dịch 70 %, 357 000 tấn dung dịch 50 % và 91 000 tấn bột.
Trung bình mỗi năm, nhu cầu sử dụng sorbitol tăng lên 3 %. Giá của sorbitol
thương phẩm dạng 70 % là 0,95 –1,40 USD/kg và dạng bột là 1,90 – 2,50
USD/kg. Giá trị thương mại do sorbitol mang lại năm 1993 trên toàn thế giới là
900 triệu USD [3].
Trên thế giới, công suất sản xuất hiện tại v
ới sorbitol đã vượt quá 2 triệu
tấn/năm, chủ yếu là do các nhà sản xuất dưới đây [3]: 9

120 000
163 000
100 000
177 000
50 000
150 000
90 000
40 000
Sorbitol được dùng trong thực phẩm, mỹ phẩm và công nghiệp sản xuất
vitamin C chiếm 70 % tổng sản lượng tiêu thụ sorbitol trên toàn thế giới
(2007). Dự đoán, mức tiêu thụ trong các ngành này còn tiếp tục tăng cao trong
một vài năm tới.
Trong những năm 2004 ÷ 2007, nhu cầu sử dụng sorbitol của Mỹ giảm
nhẹ do sự chững lại của ngành công nghiệp sản xuất vitamin C trong nước,
nhưng vẫn cao hơn mức tiêu thụ chung c
ủa các nước Tây Âu. Tiếp theo, Nhật
Bản là nước có mức tiêu thụ sorbitol trung bình. Các nước trong khu vực
Trung Á và Đông Âu có xu hướng tăng mạnh trong tương lai gần.
Trung quốc là quốc gia có sản lượng tiêu thụ sorbitol lớn nhất, chiếm 1/3
tổng sản lượng tiêu thụ của toàn thế giới (2007). Dự kiến nhu cầu về sorbitol
của nước này sẽ tiếp tục tăng sau giai đoạn 2007 ÷ 2012, khi một loạt các nhà
máy sản xuất vitamin C ra đờ
i.

10
Hình 1.2:


vụ nhu cầu trong nước. Đề tài này cùng với các kết quả triển khai dự án pilot
trong giai đoạn tiếp theo sẽ góp phần hiện thực hóa chủ trương này.
1.4 NGUYÊN LIỆU GLUCOZA ĐỂ SẢ
N XUẤT SORBITOL
Nguyên liệu được dùng trong sản xuất sorbitol là D-glucoza. D-glucoza là
chất quan trọng nhất trong các monosaccarit vì nó là đơn vị cấu trúc các gluxit
khác như tinh bột, xenluloza, glycogen và có vai trò rất quan trọng trong các
quá trình sinh hoá, là một nguồn năng lượng chính cho cơ thể sinh vật sống [4].
Thông thường máu người chứa 0,08 – 0,1% glucoza
1.4.1. Đặc tính lý hoá
- Tên gọi:
D-glucoza, dextrose, đường máu
- CTPT: C
6
H
12
O
6
- CTCT: hình 1.7 Hình 1.3: Cấu trúc phân tử D-glucoza
- Khối lượng phân tử M = 180,16.
Do sự có mặt của các nhóm hydroxyl trong phân tử nên glucoza dễ hòa
tan trong nước và không tan trong các dung môi hữu cơ. Khi cô đặc dung dịch
glucoza sẽ thu được các tinh thể. Tuy nhiên quá trình kết tinh glucoza có thể bị
ảnh hưởng bởi hiện tượng solvat hóa do tương tác với dung môi và hiện tượng
chuyển hóa hỗ biến giữa các dạng cấu tạo của glucoza.
+ Loại dẫn xuất α – monohydrat: Ở trong n
ước có dạng tinh thể, điểm
nóng chảy là 83
o
C.

CH
2
OH
OH
H
H
OH
OH
H
O
H
OH
OH
H
HO
HO
H
CH
2
OH
α – D (+) glucoza
(t
nc
= 146
o
C, [α] = 112,2
o
)
C
C

OH
H
HO
HO
H
CH
2
OH
β – D (+) glucoza
(t
nc
= 150
o
C, [α] = +19
o
)
+ Loại dẫn xuất α – anhydrat: Dạng tinh thể khi ở trong cồn nóng và
nước, điểm nóng chảy là 146
o
C, loại dẫn xuất này tạo ra bởi sự cân bằng của
ion hydroxyl (khi hoà tan vào nước thì từ độ quay cực riêng ban đầu +112,2
o

dần giảm còn + 52,7
o
). Độ quay quang học: [α]
D
+ 112,2
o
→ + 52,7

13
Trong hỗn hợp cân bằng có tới 99% bán axetat nội phân, có 2 đồng phân
mạch vòng D - (+) glucoza phân biệt nhau ở các cấu hình C
1
và 2 dạng đó được
gọi là các dạng onome. Dạng α và dạng β ngoài khác nhau về độ quay cực,
chúng còn khác nhau cả về tính chất hoá học, ví dụ khi cho tác dụng với axit
boric thì chỉ dạng α phản ứng.
Khi hoà tan dạng α và β tinh khiết vào nước thì 2 dạng này dễ chuyển
hoá sang nhau tạo một cân bằng và cùng với sự thay đổi độ quay cực như ta đã
biết ở trên.
1.4.2 Tình hình sản xuất glucoza
Glucoza
được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như sản
xuất từ tinh bột ngô, tinh bột sắn, bột mì, lúa gạo Ở nước ta, nguồn nguyên
liệu tinh bột sắn dồi dào nên việc cung cấp glucoza cho quá trình sản xuất
sorbitol khá thuận lợi. Sau đây là sản lượng glucoza của một số công ty sản
xuất trong nước [5]:
Công ty Minh Đường - Hoài Đức - Hà Tây: 30 - 40 tấn/ngày;
Cơ sở tại Việt Trì của công ty Bánh kẹ
o Hải Hà: 10 tấn/ngày;
Nhà máy Đường Quảng Ngãi: 16 tấn/ngày;
Công ty Đường sông Lam - Thanh Hóa: 10 tấn/ngày;
Công ty Kỹ nghệ thực phẩm 19/5 Sơn Tây: 100 tấn/năm.
1.5 NGUYÊN LIỆU TINH BỘT SẮN ĐỂ SẢN XUẤT GLUCOZA
Tinh bột là một polysaccarit chủ yếu có trong các hạt ngũ cốc và cây có
củ. Lượng tinh bột ở ngô, lúa mỳ vào khoảng 60 - 75 %, lúa gạo có thể đạt đến
75 - 80 %, củ sắn 12 - 33 %, củ khoai tây 24 - 26 % (bột sắn có 70 - 81 % tinh
bột, bột khoai tây 70 - 75 %). Ngoài ra tinh bột còn có nhiều trong các lo
ại rau

Hai cấu tử của tinh bột là amyloza và amylopectin có tính chất hoá học
và lý học khác nhau. Amyloza khi tác dụng với phân tử iot có màu xanh,
amylopectin cho màu nâu khi tác dụng với phân tử iot. Amyloza dễ tan trong
nước ấm và tạo nên một dung dịch có độ nhớt không cao. Dung dịch của
amyloza không bền khi nhiệt độ hạ thấp các dung dịch đậm đặc của amyloza
nhanh chóng tạo gel tinh thể và các kết tủa không thuận nghịch. Khả năng
thoái hoá này phụ thuộc vào pH, sự có mặt của các ion kim loại, nồng
độ
amyloza và khối lượng phân tử của amyloza. Amylopectin có độ kết tinh thấp
hơn rất nhiều. Amylopectin là phân tử hấp thụ nhiều nước khi nấu chín tinh
bột và là thành phần chủ yếu tạo nên sự trương phồng của hạt tinh bột. Khi tinh
bột được xử lý đồng thời bằng nước và nhiệt thì sẽ tạo ra hiện tượng hồ hoá.
Nhiệt độ hồ hoá của các loại tinh bột nằm trong kho
ảng 55 - 70
0
C, các hạt tinh
bột sẽ trương phồng lên, hấp thụ nước vào các nhóm hydroxyt phân cực, khi đó
độ nhớt của dịch tinh bột tăng lên rất cao, các hạt tinh bột trương nở và kết
dính vào với nhau tạo thành hỗn hợp nhão (paste). Nếu dịch tinh bột đặc thì khi
làm nguội paste tinh bột sẽ tạo thành gel cứng .
Về mặt cảm quan, tinh bột là các hạt rất mịn, màu trắng. Để bảo quản
tốt, ngườ
i ta giữ độ ẩm của tinh bột trong khoảng 12 - 14% nhằm ngăn ngừa sự
phát triển của vi sinh vật.

1.6 ENZYM SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH
SẢN XUẤT GLUCOZA
Enzym sử dụng trong sản xuất glucoza là hệ enzym thuỷ phân tinh bột
amylaza: α-amylaza dịch hoá và glucoamylaza đường hoá
1.6.1. α -amylaza dịch hoá

Các α-amylaza thu nhận từ xạ khuẩn và nấm men có hoạt lực không cao,
vì vậy phần lớn nghiên cứu được tập trung vào α-amylaza của nấm mốc và vi
khuẩn. Các chủng nấm mốc có khả năng sinh tổng hợp α-amylaza như:
Aspergillus, Rhizopus. Xạ khuẩn và nấm men Endomycopsis cũng có khả năng
tổng hợp α-amylaza, tuy nhiên hoạt lực α-amylaza của chúng không cao.
α-amylaza của nấm mốc
được chia làm 2 loại: chịu axít và kém chịu axít,
thường hoạt động ở pH axít. α-amylaza của nấm mốc lần đầu tiên được phát
hiện từ chủng Aspergillus oryzae, sau này người ta tìm thấy các chủng A.

17
niger, A awamori, Rhizopus ulencer, R. nevear cũng có khả năng tổng hợp α-
mylaza.
α-amylaza của vi khuẩn có 2 loại: chịu nhiệt và kém chịu nhiệt, thường
hoạt động ở pH trung tính hoặc kiềm nhẹ. α-amylaza của vi khuẩn là loại bền
với nhiệt nhất so với các loại α-amylaza sinh ra từ các chủng vi sinh vật khác.
α - amylaza của chủng Bacillus stearothermophilus ở nhiệt độ 60 - 70
o
C bị
mất hoạt lực sau 24 giờ; ở 90
o
C giảm hoạt lực 17 % sau 6 phút, trong khi α-
amylaza của chủng Bacillus subtilis bị mất hoạt lực hoàn toàn.
Phần lớn α-amylaza đều có trọng lượng phân tử tương đối gần nhau
khoảng 50 000 đơn vị, nhưng với α-amylaza của B. stearothermophilus trọng
lượng phân tử chỉ có 15 000.
Cơ chế chung của enzym α-amylaza là thủy phân không định vị các liên
kết α-1,4 glucozit của polysacarit. α-amylaza tác dụng lên tinh bột đã hồ hoá
phân cắ
t liên kết α-1,4 glucozit ở trong nội mạch của phân tử tinh bột, tạo ra

pH tối ưu của các glucoamylaza là 3,3 - 5,5. Nhiệt độ cũng là yếu tố ảnh
hưởng mạnh đến hoạt độ của enzym. Đa số glucoamylaza của mốc Aspegillus
hoạt động tối thích ở 60
o
C. Glucoamylaza hoàn toàn vô hoạt ở 70
o
C [8, 9].
1.6.3. Tác dụng của enzym trong thuỷ phân tinh bột [10, 11]
Cơ chế chung của các loại α – amylaza là thuỷ phân không định vị các
liên kết α-1,4 glucozit của các polysacarit. Loại enzym này thuộc loại
endoenzym, có nghĩa là các enzym tấn công các liên kết nội phân tử. Tác dụng
của α – amilaza lên amiloza dẫn đến giảm nhanh chóng độ nhớt, cũng như làm
mất khả năng nhuộm màu với iot và tăng khả năng khử. Tác dụng của α –
amilaza lên amilopectin cũng tươ
ng tự, hơn nữa ở các điểm nhánh có liên kết α
-1,6 glucozit thì không bị thuỷ phân và tạo ra một lượng nào đó các trisacarit
panoza chứa liên kết này[12].
Khi thuỷ phân amiloza bằng α – amilaza thường xảy ra hai giai
đoạn.Giai đoạn đầu, amiloza bị thuỷ phân cắt thành maltoza, maltotrioza và các
oligosaccarit.

19
Giai đoạn thứ hai thuỷ phân tiếp các dextrin phân tử lượng lớn vừa được
tạo thành, nhưng quá trình thuỷ phân xảy ra rất chậm, đặc biệt đối với
maltotrioza vì cơ chất này không thích hợp với α – amilaza [10]. Còn thuỷ
phân amilopectin, giai đoạn đầu dẫn đến việc tạo thành các dextrin tới hạn có
trọng lượng phân tử thấp, maltoza và cả glucoza. Giai đoạn tiếp theo các
dextrin tới hạn và maltotrioza bị thuỷ phân tiế
p tuy rằng cũng rất chậm [10,12].
Dưới tác dụng α – amilaza, dung dịch tinh bột bị hoà loãng và độ nhớt bị

100% tinh bột thành glucoza.
Quá trình thuỷ phân tinh bột nhờ enzym tiến hành qua hàng loạt sản
phẩm trung gian có phân tử lượng khác nhau gọi là các dextrin. Lúc đầu thu
nhận được các dextrin có phân tử lượng lớn khác biệt ít với tinh bột và cấu tạo
cũng như tính chất tác dụng với iot, sau đó các dextrin thu được có phân tử
lượng ngày càng thấp dần, tính chất tác d
ụng với iot cũng thay đổi hẳn. Từ cơ
chất đầu tiên là tinh bột đến sản phẩm cuối cùng là các đường maltoza,
glucoza, phản ứng thuỷ phân sẽ qua một loạt các sản phẩm trung gian theo tiến
trình thời gian như sơ đồ sau [6,10,14] Hình 1.7 Sơ đồ quá trình thủy phân tinh bột và cách nhận biết các
sản phẩm trung gian

21
Trên đây chúng ta đã trình bày về đặc tính sinh hoá của enzym α-amilaza
và glucoamilaza và tác dụng cảu các enzym này lên mạch tinh bột.


Tinh bột
Hồ hóa và dịch hóa
Sữa tinh bột
Đường hóa
Nước
Diệt men
Tẩy màu, lọc
Cô đặc
Tẩy màu, lọc
Trao đổi ion
Cô đặc
Điều chỉnh pH
o- amilaza
Glucoamilaza
Than hoạt tính
Than hoạt tính
Hình 1.10: Sơ đồ công nghệ sản xuất glucoza tinh thể bằng
phương pháp enzym

24
Phương pháp axit có ưu điểm là thời gian đường hoá nhanh nên chu kỳ
sản xuất ngắn, năng suất cao, nhưng nó có nhược điểm quan trọng là hiệu suất
chuyển hoá không cao (nước đường có hàm lượng chất khử tính theo glucoza
là 70 - 80% so với chất khô). Ngoài ra, trong quá trình thuỷ phân thường sinh
ra một sản phẩm phụ là hydroxyl metyl furfurol làm cho sản phẩm có vị đắng.
Phương pháp axit- enzym tuy đã nâng cao được hiệu suất chuyển hoá
nhưng vẫn còn nhược đi
ểm là yêu cầu các thiết bị chịu axit, chịu nhiệt và áp
suất cao và giá thành cao giống như phương pháp axit.