VIỆN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ENZIM ĐỂ SẢN
XUẤT VÀ SỬ DỤNG CHỨC NĂNG
XYLOOLIGOSACARIT TỪ CÁC PHẾ PHỤ LIỆU GIÀU
XYLAN CNĐT: TRỊNH THỊ KIM VÂN

8396


1.6.1 Giới thiệu về chanh leo 25
1.6.2 Công dụng của chanh leo 26
1.6.3 Đồ uống từ chanh leo 26
1.7. Rau má 26
1.7.1 Giới thiệu về rau má 26
1.7.2 Công d
ụng của rau má 27
1.7.3 Nghiên cứu sản xuất và chế biến rau má 28
Chương II: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nguyên liệu và hóa chất chính 30
2.1.1 Nguyên liệu 30
2.1.2 Hóa chất và các chất chuẩn 30
2.2 Các thiết bị chính 30
2.2.1 Thiết bị trên phòng thí nghiệm 30
2.2.2 Thiết bị công nghệ 31
2.3 Phương pháp 31
2.3.1 Phương pháp phân tích 31
2.3.2 Phương pháp nghiên cứu 34
2.3.2.1 Phương pháp lựa chọn nguyên liệu 34
2.3.2.2 Phương pháp xử lý nguyên liệu 34
2.3.2.3 Phương pháp trích ly xylan 35
2.3.2.4 Phương pháp thủ
y phân xylan 35
2.3.2.5 Phương pháp tinh sạch đường XOS bằng hấp phụ 35
2.3.2.6 Phương pháp tinh sạch bằng trao đổi ion 35
2.5 Các quy trình công nghệ cơ sở 37
2.5.1 Quy trình sản xuất đường XOS dạng dịch 37
2.5.2 Quy trình sản xuất đường XOS dạng bột 37
2.5.3 Quy trình sản xuất Chanh leo - XOS 37
2.5.4 Quy trình sản xuất Rau má - XOS 37

3.3.2.2
Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình tinh sạch 75
3.3.3 Loại các tạp chất dễ bay hơi bằng phương pháp cô đặc hoặc sấy phun 78
3.4 Sản xuất thử nghiệm đường XOS dạng dịch trên mô hình thiết bị quy
mô công suất 50 lít/ca
3.4.1 Lắp đặt mô hình thiết bị 81
3.4.1.1 Lựa chọn tập hợp thiết bị 81
3.4.1.2 Mặt bằng bố trí thiết bị 82
3.4.1.3 Vận hàng chạy thử không tải các thiết bị 84
3.4.2 Nghiên cứu công nghệ sản xuất XOS dạng dịch ở quy mô sản xuất 86
3.4.2.1 Nghiên cứu xử lý nguyên liệu 86
3.4.2.2 Nghiên cứu trích ly xylan 88
3.4.2.3 Nghiên cứu thủy phân xylan 90
3.4.2.4 Nghiên cứu tinh sạch và hoàn thiện sản phẩm 91
3.4.3 Sản xuất thử nghiệm đường XOS dạng dịch trên mô hình thiết bị quy mô
công suất 50 lít/ca
96
3.4.3.1 Định mức nguyên liệu 96
3.4.3.2 Thực nghiệm sản xuất 96
3.5 Nghiên cứu sản xuất thử nghiệm đường XOS dạng bột công suất 50hộp/ca
3.5.1 Lắp đặt mô hình thiết bị 99
3.5.1.1 Lựa chọn tập hợp thiết bị 99
3.5.1.2 Mặt bằng bố trí thiết bị 101
3.5.1.3 Vận hành chạy thử không tải các thiết bị 103
3.5.2 Nghiên cứu công nghệ sản xuất XOS d
ạng bột 103
3.5.2.1 Nghiên cứu xử lý nguyên liệu 104
3.5.2.2 Nghiên cứu trích ly xylan 106
3.5.2.3 Nghiên cứu thủy phân xylan 106
3.5.2.4 Nghiên cứu tinh sạch và hoàn thiện sản phẩm 107

3.7.2 Nghiên cứu công thức phối trộn cho sản xuất Rau má – XOS 134
3.7.2.1 Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn đường XOS 134
3.7.2.2 Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn dịch chiết rau má 135
3.7.2.3 Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn maltodextrin 135
3.7.2.4. Xây dựng cơ sở tính toán tỷ lệ phối trộn đường kính 136
3.7.2.5 Xác định công thức phối trộn dịch trước sấy phun 136
3.7.2.6 Xác định công thức phối trộn sản phẩm cuối cùng 137
3.7.3 Nghiên cứu các thông số công nghệ cho sản xuất đồ uống Rau má – XOS 138
3.7.3.1 Quy trình công nghệ 139
3.7.3.2 Diễn giải quy trình 139
3.8 Nghiên cứu sản xuất thử nghiệm chanh leo-XOS và Rau má -XOS
3.8.1 Nghiên cứu sản xuất thử nghiệm sản phẩm Chanh leo – XOS 146
3.8.1.1 Lắp đặt mô hình thiết bị 146
3.8.1.2 Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất thử nghiệm 151
3.8.1.3 Tính toán hiệu quả kinh tế 153
3.8.2 Nghiên cứu sản xuất thử nghiệm sản phẩm Rau má – XOS 155
3.8.2.1 Lắp đặt mô hình thiết bị 155
3.8.1.2 Xây d
ựng quy trình công nghệ sản xuất thử nghiệm 156
3.8.2.3 Tính toán hiệu quả kinh tế 159
Chương VI: CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
4.1 Các kết quả chính đề tài đã đạt được 162
4.2 Tác động đối với kinh tế, xã hội và môi trường 167
KẾT LUẬN 168
KIẾN NGHỊ 171
TÀI LIỆU THAM KHẢO 172
PHỤ LỤC

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT


Xylotriose
Xylotetraose
Nồng độ cơ chất.
Nồng độ enzyme
Than hoạt tính
Đất trợ lọc (Điatomit)
Nguyên liệu
Xưởng thực nghiệm
Phòng thí nghiệm
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình Tên hình Trang
1.1 Những tính chất tăng cường sức khoẻ nhờ Bifidobacteria 4
1.2 Những ứng dụng chính của Oligosacarit 5
1.3 Thành phần cấu tạo chủ yếu của đường xylooligosacarit 9
1.4 Thành phần cấu tạo cơ bản của gỗ 11
1.5 Cấu trúc của cellulose trong gỗ 12
1.6 Các loại cấu trúc tiêu biểu của hemicellulose 14
1.7 Liên kết trong hợp chất lignin-polysacarit 15
1.8 Chuỗi Xylan 16
1.9
Cấu trúc của một đoạn xylan và các mối liên kết mà enzim
xylanolytic có thể tấ
n công để phân cắt
17
1.10 Các phương pháp tinh sạch đường XOS 21
1.11 Hình ảnh cây rau má 27
3.1

65
3.12
Động học quá trình thủy phân xylan trong d
ịch chiết lõi ngô
66
3.13
Sắc ký đồ TLC xác định thành phần dịch đường của các mẫu
thủy phân
67
3.14
Sơ đồ phân giải xylan trong quá trình xử lý và phản ứng
enzyme
69
3.15
Các phương pháp tinh sạch đường XOS
70
3.16
Ảnh hưởng của thời gian xử lý chất hấp phụ
73
3.17
Sắc ký đồ TLC của các mẫu dịch đường trước và sau sấy và cô
79
3.18
Quy trình thu nhận và tinh sạch đường XOS
80
3.19
Quy trình sả
n xuất đường XOS dạng dịch quy mô 50 lít/ca
95
3.20

Ảnh hưởng của các phương pháp nghiền đối với lõi ngô khô
42
3.5
Ảnh hưởng của kích thước hạt đến quá trình và hiệu suất trích ly
42
3.6
Phá cấu trúc nguyên liệu ở các nồng độ axit khác nhau.
44
3.7
Phá cấu trúc nguyên liệu bằng axit HCl
45
3.8
Phá cấu trúc nguyên liệ
u bằng axit oxalic
45
3.9
Phá cấu trúc nguyên liệu bằng kiềm ở các nồng độ khác nhau
45
3.10
Phá cấu trúc nguyên liệu bằng KOH sau khi khử lignin bằng
alkaline peroxit
46
3.11
Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp đến quá trình trích ly xylan
46
3.12
Ảnh hưởng của thời gian hấp đến hiệu quả trích ly
47
3.13
Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình phá cấu trúc nguyên liệu

Ảnh hưởng của dung tích công hiệu đến quá trình xử lý nguyên
liệu
88
3.28
Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình xử lý nguyên liệu
88
3.29
Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến hiệu suất trích ly
89
3.30
Ảnh hưởng của lượng dịch đến hiệu suất trích ly
90
3.31
Thành phần đường của dịch lõi ngô sau thủy phân
91
3.32
Ảnh hưởng của thời gian ly tâm
92
3.33
Ảnh hưởng của tốc độ bơm trong quá trình trao đổi ion
93
3.34
Kết quả sản xuất thử nghiệm 10 ca sản phẩm đường XOS dạng
dịch (Tính trung bình)
97
3.35
Chi phí cho sản xuất 50 lít sản phẩm (250 lọ)
98
3.36
Khác biệt trong quá trình xử lý và trích ly xylan của hai quy mô

Kết quả đánh giá lựa chọn nguyên liệu chanh leo theo độ tươi
116
3.46
Thành phần cấu tạo của quả chanh leo
117
3.47
Thành phần hóa học của dịch quả chanh leo
117
3.48
Ảnh hưởng của thời gian xay tách hạt quả chanh leo
118
3.49
Ảnh hưởng của tốc độ đồng hóa
119
3.50
Ảnh hưởng của thời gian luân hồi dịch
120
3.51
Xác định công th
ức phối trộn dịch trước sấy phun
123
3.52
Xác định công thức phối trộn sản phẩm cuối cùng
124
3.53
Ảnh hưởng của chế độ sấy đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm
126
3.54
Kết quả khảo sát vùng nguyên liệu rau má
131

161
4.1 Sản phẩm Dạng I 163
4.2
Sản phẩm Dạng II
165
4.3
Sản phẩm Dạng III
166
4.4
Kết quả đào tạo
166
4.5
Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp
167

1
MỞ ĐẦU

Thế giới đang bước vào quá trình toàn cầu hóa, đời sống của con người
ngày càng được cải thiện. Song những khó khăn mà con người gặp phải trong
giai đoạn hiện nay cũng vô cùng to lớn như sự cạn kiệt về tài nguyên, sự ô
nhiễm môi trường và sự thích hợp không tương xứng về thói quen sinh hoạt
của con người trong sự phát triển kinh tế quá nóng của một số quốc gia… Và
kết quả là chúng ta
đang phải chống chọi với một loạt các bệnh tật mang tính
thời đại như béo phì, tiểu đường, tim mạch, ung thư, HIV/AIDS Đối với
bệnh tiểu đường, tổ chức Y tế thế giới (WHO) cho là “cơn sóng thần tàn phá


2
điển hình là các oligosaccarit ngoài các đặc tính như có vị ngọt mát, không
làm tăng đường trong máu, không gây sâu răng nó còn có hiệu quả tác dụng
như một Prebiotic. Khi sử dụng các loại đường này, chúng sẽ góp phần nâng
cao sức khoẻ con người, giảm nguy cơ mắc bệnh. Vì thế việc nghiên cứu sản
xuất và sử dụng các đường trên để thay thế một phần các loại đường truyền
thống trong thực phẩm hiện đang là vấ
n đề được nhiều người quan tâm. Với
việc sử dụng sản phẩm thực phẩm có chứa Prebiotic dạng đường oligose sẽ
giúp cho con người giảm được các bệnh như tiểu đường, sâu răng, tim mạch,
ung thư và các bệnh về đường tiêu hóa. Ngoài ra nó còn là nguồn nguyên liệu
quý cho các ngành dược phẩm, mỹ phẩm…
Xylooligosacarit (XOS) là một loại đường oligo mang đầy đủ các đặc
tính sinh học đã kể trên, ý nghĩa giá trị của nó còn l
ớn hơn nhiều vì nguồn
nguyên liệu sản xuất ra chúng lại là từ các phế phụ liệu nông nghiệp rẻ tiền,
sẵn có. Xuất phát từ những lợi ích đã phân tích, chúng tôi tiến hành nghiên
cứu đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ enzyme để sản xuất và sử dụng
đường chức năng xylooligosacarit từ các phế phụ liệu giàu xylan”. Mục tiêu
chính đề tài đặt ra là: “Xây dựng quy trình công nghệ và mô hình thiết bị để
s
ản xuất đường chức năng xylooligosacarit (XOS) bằng công nghệ enzyme từ
nguồn phế phụ liệu giàu xylan và sử dụng chúng trong sản xuất một số sản
phẩm thực phẩm đồ uống chức năng”.
Để thực hiện được mục tiêu trên, các đối tượng mà đề tài sẽ tập trung
nghiên cứu là các phế phụ liệu nông nghiệp như lõi ngô, bã mía, hạt bông,
trấu gạo; Các enzyme thủy phân hemicellulose, xylan…; Các công nghệ tiên
tiến trong
ứng dụng enzyme, tinh sạch sản phẩm, tạo dạng sản phẩm. Phạm vi

“Prebiotic”. Nghĩa là OS sử dụng trong sản phẩm thực phẩm với mục đích
chính là để cung cấp thức ăn cho hệ vi sinh vật có lợi khu trú trong đại tràng,
đại biểu cho nhóm vi sinh vật này là các giống Lactobacillus,
Bifidobacterium… Và hiệu quả là ngăn chặn hữu hiệu sự phát triển của các
loài vi sinh vật có hại khác, qua đó góp phần tăng cường sức đề
kháng cho cơ
thể chủ, tránh bị táo bón, hạn chế béo phì, kiểm soát tốt hơn quá trình lão hóa
và giảm nguy cơ gây xơ vữa động mạch…[44]
Thông qua các nghiên cứu kiểm tra bằng một vài phương pháp nuôi cấy
khác nhau trong phòng thí nghiệm, làm mẫu trên động vật và thử nghiệm lâm
sàng với con người… Người ta đã chứng minh được tác dụng trên của các
loại đường Fructooligosacarit (FOS), Xylooligosacarit (XOS),
Galactooligosacarit (GOS), Lactulose … Những loại đường này đã được sản
xuất trên quy mô lớn và là chấ
t phụ gia thêm vào các sản phẩm khác trong
công nghiệp thực phẩm. Đặc biệt Xylooligosacarit (XOS), còn có thể điều
chỉnh sự phát triển của thực vật và hoạt động kháng vi sinh vật chống lại một
số vi khuẩn có hại. Người ta còn chứng minh được rằng đường XOS có hiệu
quả ngang bằng raffinose và tốt hơn cả FOS trong quá trình nuôi cấy Vi
khuẩn Bifidobacterium spp[4].
4
Hiện nay Vi khuẩn Bifidobacterium được đặc biệt quan tâm trong lĩnh
vực sinh học bởi nó mang nhiều lợi ích cho cơ thể sống. Bifidobacterium tồn
tại và phát huy tác dụng ngay trong cơ thể chủ, điều này rất có ý nghĩa vì nó
có thể phòng chống các bệnh tật về đường ruột một cách hữu hiệu nhất. Hình
1.1 là mô phỏng những tính chất tăng cường sức khoẻ nhờ
Bifidobacterium[100]

Tác động như
modul miễn dịch
Giảm amoniac trong
máu
Sản sinh vitamin
nhóm B và acit folic
Cân bằng hệ vi sinh vật
đường ruột cho các bệnh
nhân trong thời gian điều trị
bệnh bằng kháng sinh
Ức chế sự phát triển
của các mầm bệnh
5
¾ Ứng dụng của Oligosacarit trong công nghiệp thực phẩm
Ngay từ những năm 80, tính phổ biến của OS như là thành phần thực

5 Tiền thân cho các loại thuốc
kháng virút và kháng ung thư

5 Sữa dinh dưỡng cho trẻ em
và điều trị các vấn đề tiêu hoá

5 Tạo hydrogel cho quá trình
hấ
p
th
ụ,
làm chất bao thuốc
CNTP
Dược phẩm
6
duy trì hàm lượng nước thấp cho sản phẩm, rất phù hợp trong việc kiểm soát
mức độ nhiễm vi sinh vật.
Một lí do chủ yếu nữa cho việc sử dụng oligosacarit là bởi các đặc tính
nhậy cảm phù hợp nên có thể làm ổn định nhiệt độ và pH ở mức vừa, do vậy
người ta thường bổ sung Oligosacarit vào các sản phẩm như đồ uống, sữa lên
men, đồ uống tăng lực, sả
n phẩm bánh mì nướng, nước chấm, sữa bột cho trẻ
em, ngũ cốc, bánh bích quy, kẹo mứt…Trên thế giới, từ năm 1996 có 12
nhóm thực phẩm bổ sung oligosacarit được sản xuất thương mại (Oligosacarit
từ galatose, fructose, palatinose, maltose, isomaltose, gentiose, đậu nành,
xylose, lactose, lactosucrose, và glucosyl-sucrose)[1].
Các Oligosacarit được sử dụng chủ yếu trong tất cả các đồ uống
7
hỗn hợp polysacarit (định hình bởi xylose, glucose, manose và axít
glucuronic) thu được từ tảo biển có hoạt động chống lại virút khi nó được liên
kết tạo thành một protein, đồng thời (polysacarit gốc và phức hợp này) hoạt
động như một phản ứng sinh học có ảnh hưởng lớn đến hệ thống miễn dịch.
Chúng còn có tác dụng ngăn chặn sự hấp thụ của virút HIV lên tế bào bạch
cầu người và hoạt
động kìm hãm làm đảo ngược quá trình sao chép của
enzyme thiết yếu cho sự sinh sôi HIV [20].
Một vài polysacarit còn được nghiên cứu về khả năng chống ung thư,
đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm một phần nhỏ Xylose, XOS và
lignin hoà tan trong nước có hiệu ứng độc hại tế bào (có thể do cơ chế gây
chết tế bào theo chương trình) và giảm khả năng sống của tế bào ung thư bạch
cầu [21].
Những ứng dụng khác cũng đượ
c tìm thấy trong các thành phần khó
tiêu của oligosacarit. Như đã đề cập ở trên, sự gia tăng của vi khuẩn
Bifidobaterium mang lại những lợi ích cho sức khỏe của con người đã được
đẩy mạnh bởi hỗn hợp của Xylooligosacarit có chứa chủ yếu là xylobiose
[22]. Dựa vào yếu tố này, một sản phẩm dinh dưỡng đã được phát triển dành
cho người bị viêm loét đại tràng. Sản phẩm này có chứa một hỗ
n hợp dầu (có
chứa axít eicopentaenoic và/hoặc axít docosahexaenoic) và một nguồn hydrat
cacbon khó tiêu hoá để chuyển hoá thành các axít béo thiết yếu dạng chuỗi
ngắn bởi các vi sinh vật có trong ruột kết của người [31]. Oligosacarit khó
tiêu (trong trường hợp này là FOS) được sử dụng để ngăn ngừa sự nhiễm
trùng đường tiêu hóa và giảm thời gian của các giai đoạn mắc bệnh tiêu chảy
ở người [24].

này hiện đang tiêu thụ ba loại XOS là dịch XOS 70 (XOS nguyên chất chi
ếm
70 % trong tổng số đường), XOS dạng bột 35 (XOS nguyên chất chiếm 35 %
trong tổng số đường) và XOS dạng bột 20 (XOS nguyên chất chiếm 20 %
trong tổng số đường). Đường XOS đã được dùng nhiều trong sản xuất đồ
uống lên men lactic, sô cô la và chất điều vị, các sản phẩm này đã được đông
đảo người tiêu dùng tại Nhật Bản tin dùng[46].
1.2.1 Cấu trúc tự nhiên của XOS
Xylooligosacarit có thành phần cơ bản là các oligome có từ 2 đế
n 10
phân tử xylose liên kết với nhau. XOS được dùng trong thực phẩm với vai trò
như là một thành phần chức năng thường có chứa xylobiose (X
2
), xylotriose
(X
3
) và xylotetraose (X
4
). trong đó thành phần quan trọng chủ yếu là
xylobiose. Ngoài ra trong thành phần của XOS còn có một lượng nhỏ xylose,
arabinose và glucose.
Xylobiose có cấu tạo bởi 2 gốc xylose gắn hết với nhau qua mối liên
kết β1-4. Tương tự như vậy xylotriose được cấu tạo bởi ba gốc xylose còn
xylotetraose có cấu tạo bởi bốn gốc xylose. Cả ba loại đường trên có độ ngọt
bằng 40% độ ngọt của đường kính. Các loại đường này không bị tiêu hoá b
ởi
hệ enzyme ruột non mà bị lên men ở ruột già nhờ vi khuẩn hữu ích
Bifidobacterium. Hình 1.3 là thành phần cấu tạo của XOS.
1.2.2 Đặc tính của XOS
¾ Đặc tính hóa lý của XOS [46]
Hình 1.3: Thành phần cấu tạo chủ yếu của đường xylooligosacarit

¾ Đặc tính sinh học của XOS
XOS có đầy đủ những đặc tính sinh học có lợi cho sức khỏe của
oligosacarit. So với các oligosacarit khác, XOS tác d
ụng ở mức cao hơn lên
Bifidobacterium. Sự phát triển Bifidobacterium rất rõ ràng ngay cả khi với
một lượng rất nhỏ XOS.
Xylobiose
Xylotriose
Xylotetraose
10
Bảng 1.1: Ảnh hưởng của XOS đến hệ vi sinh vật đường ruột [44]
Bifidobacterium
(lợi khuẩn)
Bacteroides
(hại khuẩn)
Lượng
XOS
dùng
mỗi
ngày
(g)
Tăng lên sau
1 tuần (%)

t bông… bằng công nghệ
enzyme. Mặc dù XOS chỉ có một tỷ lệ nhỏ trong tổng OS thương mại nhưng
những nhu cầu về XOS ngày càng tăng hàng năm. Việc sản xuất XOS theo
báo cáo của Công ty Suntory đã tăng từ 70 tấn vào năm 1994 cho đến hơn 300
tấn vào năm 1996. Trong năm 2000 có khoảng 60 công ty sử dụng XOS trong
khoảng 100 sản phẩm (ví dụ như Yoghurina sản xuất bởi Công ty Suntory,
11
Marushige Genkisu sản xuất bởi Công ty Marushige Ueda…). Ngày nay các
sản phẩm có chứa XOS không chỉ phổ biến tại Nhật Bản mà còn ở nhiều nước
trên thế giới như: Mỹ, Trung Quốc, các nước Châu Âu…[6].
1.3 Nguyên liệu cho sản xuất đường XOS
Xylooligosacarit được sản xuất từ xylan theo con đường chuyển hóa
enzyme hoặc hóa chất. Nguồn xylan thường được lấy từ dịch thủy phân gỗ,
rơm rạ, bẹ ngô, lõi ngô, bã mía, hạt bông và các nguyên liệu có nguồn g
ốc
thực vật giàu xylan khác.
1.3.1 Thành phần hoá học của gỗ
Gỗ hay còn được gọi là lignocellulose, được cấu tạo bởi cellulose,
hemicellulose, lignin và các thành phần phụ khác. Các loại gỗ khác nhau thì
tỷ lệ ba thành phần cơ bản này cũng khác nhau. Hình 1.4 đã thể hiện thành
phần cấu tạo chính của gỗ. Bảng 1.2 trình bày thành phần cấu tạo của một số
loại gỗ.