Nghiên cứu sản xuất maltodextrin

Nghiên cứu sản xuất maltodextrin

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT MALTODEXTRIN CÓ DE <10 BẰNG PHƯƠNG PHÁP AXIT Ở NHIỆT ĐỘ THẤP (NHIỆT ĐỘ PHÒNG)

RESEARCH ON PRODUCING MALTODEXTRIN WITH DE<10 USING ACID METHODS AT LOW TEMPERATURE (ROOM TEMPERATURE)

TRƯƠNG THỊ MINH HẠNH

Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa, ĐHĐN

TÓM TẮT

Qua nhiều nghiên cứu trước đây, để sản xuất maltodextrin bằng phương pháp axit, thông thường dùng nhiệt độ từ 40-600C để thuỷ phân tinh bột Nhưng phương pháp dùng nhiệt độ phòng (nhiệt độ 250C) rất cần thiết cho việc sản xuất qui mô lớn, tiết kiệm thiết bị và năng lượng Vì vậy, bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về biến hình tinh bột bằng phương pháp axit ở hai mức nhiệt độ là 250C và 500C Bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm (QHTN) và tối ưu hóa, đã tìm được các thông số công nghệ tốt nhất để sản xuất maltodextrin bằng phương pháp axit ở nhiệt độ thấp có DE <10 là hàm lượng tinh bột là 15 g, thời gian biến hình 9 giờ và nồng độ axit HCl là 9%

Abstract

Based on several previous research results, to produce maltodextrin using acid methods, temperature is often set at 40-600C to decompose starch However, a desirable method at room temperature (2500C) is necessary for large-scale production, saving equipment expense and energy Thus, this paper presents research results on starch modification using acid methods at two different temperatures: 2500C and 5000C With the experimental planning and optimization methods, we discover the optimal technical parameters to produce maltodextrin using acid methods at low temperature with DE < 10: 15-g-concentration starch, 9-hour modifying period, and 9% HCl acid

1 Giới thiệu:

Tinh bột biến hình bằng phương pháp axit được biết đến rất sớm vào năm 1811, công nghệ có nhược điểm như ăn mòn thiết bị, sản phẩm có màu, có vị mặn, tạo nhiều sản phẩm phụ khó tinh sạch Tuy có nhược điểm nhưng phương pháp này lại có không ít các ưu điểm nổi bật như năng suất cao, dùng hoá chất dễ kiếm, rẻ tiền, dễ tự động dây chuyền sản xuất Hơn nữa, với công nghệ ngày càng hiện đại chúng ta có thể khắc phục các nhược điểm trên Vì vậy trong sản xuất công nghiệp việc sử dụng phương pháp biến hình tinh bột axit để thu dextrin, maltodextrin, siro, ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhằm cung cấp đầy đủ với số lượng lớn, đáp ứng nhu cầu thị trường với giá rẻ [4], [5]

Maltodextrin được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực chế biến thực phẩm và dược phẩm Theo dược điển MỸ USP 24 [3], maltodextrin là một chất

không ngọt, là sản phẩm thủy phân tinh bột (TB) không hoàn toàn bằng axit hoặc bằng enzim hoặc bằng axit và enzim là hỗn hợp các polyme có đơn vị là D-glucoza có đương lượng dextroza DE dưới 20 Đương lượng Dextroza Equivalent viết tắt là DE là đại lượng chỉ khả năng khử đối với chuẩn là 100% ở đường glucoza (dextrose), hay là số gam tương đương D-glucoza trong 100gam chất khô của sản phẩm [3], [9]

Sản phẩm có DE từ 4-7 được sử dụng để tạo màng mỏng dễ tan và tự hủy được dùng để bọc kẹo, bọc trái cây khi bảo quản, đưa vào kem, làm phụ gia cho các loại nước xốt, làm chất độn tạo viên trong công nghiệp dược Sản phẩm có DE từ 9-12 được dùng trong công nghiệp sản xuất đồ uống, đặc biệt là đồ uống cho trẻ em, đồ uống và thức ăn riêng cho vận động viên thể thao, làm kẹo gum mềm, làm chất trợ sấy, chất giữ hương, yếu tố tạo hình Sản phẩm có DE từ 15-18 được làm chất kết dính, chất tăng vị cho đồ uống, đưa vào thành phần bơ, sữa bột, cà phê hòa tan, làm vật mang các thành phần không phải đường [6], làm tá dược dính cứu lấy từ nhà máy tinh bột sắn Tịnh Phong – Quảng Ngãi Sản phẩm được sản xuất theo tiêu chuẩn ISO

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Chọn qui trình chuẩn bị mẫu tinh bột biến hình ở hai mức nhiệt độ: nhiệt độ 500C và nhiệt độ phòng

Trên cơ sở nghiên cứu của V Singh và S.Z Ali về ảnh hưởng của các loại axit khác nhau (HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4) trên các loại tinh bột khác nhau (tinh bột lúa mì, bắp kê, đậu vàng, đậu xanh, khoai tây và sắn) đến quá trình biến hình tinh bột [6], [8] chúng tôi đề xuất qui trình chuẩn

bị mẫu biến hình theo sơ đồ hinh 3.1 trong đó các thông số kỹ thuật của biến hình ở nhiệt độ 50oC dựa trên phương pháp của Wurzburg [10], ở nhiệt độ 25oC (nhiệt độ phòng) dựa trên cơ sở phương pháp biến hình của N Atichocudomchai, S

Vararinit [7]

3.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thuỷ phân tinh bột bằng axit ở 500

C

Nồng độ tinh bột, nồng độ axit, thời gian thuỷ phân là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình thuỷ phân Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng TB, nồng độ axit và thời gian đến quá trình biến hình TB bằng phương pháp QHTN TĐY23

Trước tiên thực hiện một số thí nghiệm khảo sát:

- Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột đến chỉ số DE, chúng

tôi tiến hành 5 thí nghiệm Các mẫu thí nghiệm được chuẩn bị với khối lượng tinh bột khác nhau 15, 20, 25, 30, 35g được hoà trộn với 40ml dung dịch HCl 8%, thời gian thủy phân là 6 giờ

- Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian thuỷ phân đến chỉ số DE, tiến

hành 5 thí nghiệm Các mẫu thí nghiệm được chuẩn bị với khối lượng tinh bột 20g, được hoà trộn với 40ml dung dịch HCl 8%, thời gian thủy phân thay đổi các mức 2, 4, 6, 8, 10 giờ

Kết quả các thí nghiệm được biểu diễn lần lượt trên các đồ thị hình 3.2, 3.3 và 3.4

Nhận xét:

Đồ thị 3.2 cho thấy: ở cùng khối lượng tinh bột và thời gian thuỷ phân, nồng độ axit càng tăng thì chỉ số DE càng tăng, tức là khả năng thuỷ phân của tinh bột càng lớn Đó là do khi nồng độ axit HCl càng tăng thì càng có nhiều ion H+

tham gia xúc tác quá trình thuỷ phân tinh bột, làm tăng khả năng tiếp xúc giữa tinh bột và axit nên tinh bột bị phân cắt càng nhiều, chỉ số DE càng cao Tuy nhiên, trong quá trình thực nghiệm chúng tôi thấy rằng ở nồng độ axit cao sản phẩm tạo nhiều đường và bị nâu hoá mạnh Vì vậy, để sản xuất maltodextrin không nên chọn nồng độ axit quá lớn vì sản phẩm có nhiều đường glucoza, có màu nâu mạnh,

Hình 3.4.Ảnh hưởng của thời gian thuỷ phân đến chỉ số DE

và nồng độ axit cao sẽ gây ô nhiễm môi trường sống [1], [6] Do đó nồng độ axit chỉ nên chọn tối đa là 10%

Trên đồ thị 3.3 cùng một nồng độ axit và thời gian thuỷ phân, hàm lượng tinh bột càng cao thì chỉ số DE càng giảm Đó là vì khi hàm lượng tinh bột tăng thì khả năng tiếp xúc giữa mạch tinh bột và axit giảm, làm cản trở quá trình thuỷ phân tinh bột nên chỉ số DE giảm Nếu nồng độ càng loãng thì khả năng thuỷ phân càng tăng, tức chỉ số DE càng cao nhưng nồng độ quá thấp thì hiệu suất không cao, tốn kém năng lượng và thiết bị, không kinh tế Nên khối lượng tinh bột chọn trong khoảng 15-20g

Qua đồ thị 3.4 cho thấy khi thời gian thuỷ phân càng tăng thì chỉ số DE càng cao do thời gian càng dài thì ion H+

càng có điều kiện tái xúc tác, phân cắt các mạch tinh bột triệt để hơn Lúc đầu tốc độ phản ứng xảy ra nhanh nhưng càng về sau tốc độ tăng càng chậm là do lúc đầu tinh bột có nhiều amylopectin, các liên kết α-1,6-glucozit nằm ở vùng vô định hình và các liên kết amyloza mạch dài nên dễ dàng tiếp xúc với axit Càng về sau thì các mạch tinh bột càng ngắn dần nên khả năng tiếp xúc của mạch tinh bột và axit giảm nên tốc độ thuỷ phân càng chậm Ngoài ra, trong quá trình biến hình, thời gian càng dài thì có nhiều phân tử glucoza được tạo ra, làm cản trở sự tiếp xúc giữa mạch tinh bột và axit nên chỉ số DE càng về sau càng tăng chậm [8], [23] Vì vậy chỉ nên chọn thời gian thủy phân trong khoảng từ 6-8 giờ

Như vậy, chúng tôi chọn các thông số kỹ thuật của quá trình biến hình ở nhiệt độ 50oC là: khối lượng tinh bột từ 15-20g pha trong dung dịch axit có nồng độ dưới 10% tiến hành thủy phân trong khoảng từ 6-8 giờ Ở các điều kiện đó, theo kết quả thực nghiệm ở các hình 3.2 3.3, 3.4, DE thu được tối đa chỉ đạt được khoảng 5-6 Chúng tôi tiếp tục khảo sát quá trình biến hình này ở nhiệt độ 25o

Để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ HCl đến chỉ số DE, các mẫu thí nghiệm được chuẩn bị với khối lượng tinh bột 20g, hoà trộn với 40ml dung dịch

Hình 3.7.Ảnh hưởng của thời gian thuỷ phân đến chỉ số DE

HCl ở các nồng độ khác nhau 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10%, thời gian thủy phân là 7 ngày [10]

Để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột đến chỉ số DE, các mẫu thí nghiệm được chuẩn bị với khối lượng tinh bột khác nhau 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40g, được hoà trộn với 40ml dung dịch HCl 8%, thời gian thủy phân là 7 ngày

Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian thuỷ phân đến chỉ số DE, các mẫu thí nghiệm được chuẩn bị với khối lượng tinh bột 20g, được hoà trộn với 40ml dung dịch HCl 8%, thời gian thủy phân thay đổi ở các mức 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ngày

Kết quả thí nghiệm được trình bày trên đồ thị các hình 3.5; 3.6 và 3.7

Nhận xét: Từ kết quả nghiên cứu cho thấy:

+ Trong cả 2 phương pháp biến hình ở 250

C (nhiệt độ phòng) hoặc ở 500C thì các yếu tố: nồng độ axit, khối lượng tinh bột, thời gian thuỷ phân đều ảnh hưởng lớn đến chỉ số DE tức ảnh hưởng đến khả năng thuỷ phân của tinh bột Trong đó hàm lượng tinh bột càng tăng thì chỉ số DE càng giảm, còn thời gian thuỷ phân và nồng độ axit càng tăng thì chỉ số DE càng tăng Tuy nhiên, chúng chỉ tăng cao đến một lúc nào đó sau đó sẽ tăng chậm lại

+ Qua khảo sát 2 phương pháp biến hình ở nhiệt độ 500

C và nhiệt độ phòng (250C), chúng tôi thấy rằng phương pháp biến hình bằng axit ở nhiệt độ phòng (250C) có ưu điểm hơn so với phương pháp biến hình tinh bột ở 500C như: có chỉ số DE cao hơn, nhiệt độ biến hình thấp, thường thì bằng nhiệt độ phòng nên thiết bị đơn giản, không tốn năng lượng hoặc tốn ít năng lượng để điều chỉnh về nhiệt độ 250

C, quá trình sản xuất đơn giản nên có thể sản xuất theo qui mô lớn rất dễ dàng Đó cũng chính là mục đích của đề tài chúng tôi Chính vì vậy chúng tôi chọn phương pháp biến hình ở nhiệt độ 250C để nghiên cứu tiếp theo

3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột, nồng độ axit và thời gian đến quá trình biến hình bằng axit HCl ở nhiệt độ 250

Chọn phương pháp QHTN TYT23

để lập phương án thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm theo phương án này Từ kết quả khảo sát thể hiện ở các đồ thị 3.4, 3.5, 3.6, chọn khoảng biến thiên thích hợp của các yếu tố như sau: khối lượng tinh bột từ 15-25g biến hình trong 40ml dung dịch HCl nồng độ từ 7- 9%, nếu chọn cao hơn trong thực tế thí nghiệm chúng tôi thấy rằng sản phẩm tạo màu nâu mạnh và khó tinh sạch, chọn thời gian thuỷ phân từ 7 – 9 ngày Từ đó, chọn các mức yếu tố như bảng 3.1

Trong đó X1, X2, X3 lần lượt là khối lượng TB (g), thời gian biến hình TB (ngày) và nồng độ axit (% so dung dịch) Thiết lập mô hình thí nghiệm và thí nghiệm theo mô hình Kết quả cho ở bảng 3.2

Bảng 3.2 Kết quả xác định chỉ số DE của TB sắn biến hình theo phương pháp axit ở nhiệt độ phòng theo mô hình thí nghiệm TYT 23

trong đó x1, x2, x3 là biến mã của khối lượng TB, thời gian biến hình TB và nồng độ axit trong hệ mã hóa, y là chỉ số thực nghiệm DE thu được khi biến hình tinh bột

Bằng cách sử dụng các công thức tính của phương pháp QHTN [2], qua việc kiểm định mức ý nghĩa của các hệ số, qua kiểm định sự phù hợp của phương trình với thực nghiệm, kết quả ở bảng 3.2 được mô tả bằng phương trình hồi quy như sau:

y = 5,916 - 0,225x1 + 0,699x2 + 0,231x3 - 0,128x1x3 - 0,112x2x3

Phương trình hồi qui trên cho thấy 3 yếu tố: hàm lượng tinh bột, thời gian biến hình, nồng độ axit đều ảnh hưởng nhiều đến chỉ số DE Trong đó, hàm lượng tinh bột tỷ lệ nghịch với chỉ số DE, còn thời gian thuỷ phân và nồng độ HCl tăng thì chỉ số DE tăng theo Điều này hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm Trong các

yếu tố trên, thời gian biến hình là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến chỉ số DE Vì vậy, để tăng chỉ số DE thì hiệu quả nhất là tăng thời gian thuỷ phân của tinh bột

Từ phương trình hồi qui tính được, chúng ta có thể xác định được chỉ số DE của tinh bột biến hình được sản xuất về mặt lý thuyết khi thay đổi các điều kiện như khối lượng tinh bột, thời gian biến hình, nồng độ axit một cách dễ dàng Điều này có ý nghĩa quan trọng trong thực tế sản xuất

Tối ưu hoá quá trình biến hình tinh bột bằng axit HCl ở nhiệt độ 250C (nhiệt độ phòng) để thu DE lớn nhất

Để tìm các thông số công nghệ tốt nhất để thu được DE của tinh bột biến hình cao nhất, chúng tôi cũng tiến hành tối ưu theo phương pháp tìm cực trị bằng cách giải phương trình bởi chương trình Excel solver Kết quả thu được là:

Ymax = 7,087 ở các điều kiện x1= -1 tức biến thực X1 = 15 x2= 1 tức biến thực X2 = 9 x3 = 1 tức biến thực X3 = 9

- Như vậy: Với phương pháp biến hình tinh bột bằng axit HCl ở nhiệt độ 250C (nhiệt độ phòng), trong phạm vi đã chọn thì điều kiện tốt nhất để sản xuất là hàm lượng tinh bột là 15 g, thời gian biến hình 9 giờ và nồng độ axit HCl là 9%

4 Kết luận

- Đã nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến hình phương

pháp axit là nồng độ tinh bột, nồng độ axit HCl và thời gian biến hình ở hai mức nhiệt độ là 250

C và 500C Ở nhiệt độ 50oC với khối lượng tinh bột từ 15-20g pha trong dung dịch axit HCl nồng độ dưới 10% thủy phân trong khoảng từ 6-8 giờ thì

DE thu được khoảng 5-6

- Bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm TYT 23 đã xây dựng được

phương trình hồi qui mô tả ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột, thời gian biến hình

và nồng độ axit HCl ở nhiệt độ 250C ( tương đương với nhiệt độ phòng) đến DE của maltodextrin là:

y = 5,916 - 0,225x1 + 0,699x2 + 0,231x3 - 0,128x1x3 - 0,112x2x3

trong đó x1, x2, x3 là khối lượng TB (g), thời gian biến hình TB (ngày) và nồng độ axit (%), y là chỉ số DE của maltodextrin thu được khi biến hình tinh bột

- Kết quả thực nghiệm cho thấy hàm lượng tinh bột, thời gian biến hình và nồng độ axit đều ảnh hưởng nhiều đến chỉ số DE, trong đó hàm lượng tinh bột tỷ lệ nghịch, còn thời gian thuỷ phân và nồng độ HCl tỉ lệ thuận với chỉ số DE Trong các yếu tố trên, thời gian biến hình là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất Vì vậy, để tăng chỉ số DE thì hiệu quả nhất là tăng thời gian thuỷ phân của tinh bột

- Tối ưu hóa bằng phần mềm Excel-solver đã tìm được điều kiện tốt nhất của quá trình biến hình tinh bột bằng phương pháp axit ở nhiệt độ 250C( nhiệt độ tương đương với nhiệt độ phòng) là khối lượng tinh bột là 15 g, thời gian biến hình 9 giờ và nồng độ axit HCl là 9% Maltodextrin thu được có DE = 7,087

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Hoàng Kim Anh (2003), Nghiên cứu qui trình công nghệ chuyển hóa tinh bột

bằng phượng pháp enzim, tạo sản phẩm phục vụ công nghiệp thực phẩm,

Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh

[2] Nguyễn Cảnh (1993), Qui hoạch thực nghiệm, Trường Đại học Bách khoa

TPHCM

[3] Dược điển MỸ USP 27

[4] Đỗ Thị Giang, Nguyễn Đình Du, Bùi Bá Vy (1998), ”Nghiên cứu ứng dụng

chế phẩm enzim của Novo Đan Mạch để thu nhận đường glucoza tinh thể từ tinh bột sắn”, Các công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học và

công nghiệp thực phẩm, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

[5] Trương Thị Minh Hạnh (2003), Nghiên cứu các dạng biến hình tinh bột hoa

màu và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật,

ĐH Đà Nẵng

[6] Ali, S.Z ,& Kempf, W (1986), “The degradation of potato starch during acid

modification and hypochlorite oxidation” Starch/ Staerke, 38,83-86

[7] Napaporn Atichokudomchai, Saiyavit Varavinit (2002), Characterization and

utilization of acid-modified cross-linked Tapioca starch in pharmaceutical tablets, Carbohydrat Polymers 53(2003), pp 263-270

[8] Singh S (1995), Properties of starches modified by different acids In Studies

on modified starches, Annexure III, Theses submitted to the University of

Mysore, India

[9] Singh S., Ali S Z (1997), “Acid degradation of starch The effect of acid and

starch type”, Carbohydrate polymers 41 (2000), pp 191-195

[10] Wurzburg, O.B (1986), Converted starches, In O.B.Wurzburg (Ed.), Modified

starches: properties and uses, Boca Raton, Florida, CRC Press, pp 17- 40