Đặt vấn đề Thế giới bước vào toàn cầu hoá, đời sống con người ngày càng được nâng cao. Cùng với đó là những khó khăn mà chúng ta gặp phải như: cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, sự ô nhiễm môi trường, sự lệch lạc giữa thói quen sinh hoạt với cuộc sống công nghiệp… Điều này đã dẫn đến một số bệnh mang tính thời đại như: béo phì, tiểu đường, tim mạch, ung thư, HIV/ AIDS… Chính vì vậy, ở các nước phát triển hiện nay lượng người tiêu dùng quan tâm, ưa chuộng vai trò bồi bổ sức khoẻ của một loại thức ăn đặc biệt được gọi là thực phẩm chức năng đang dần tăng. Sự phát triển của ngành thực phẩm chức năng trên toàn thế giới hiện nay đã được đóng góp bởi thành công của các nghiên cứu về vai trò phòng và chữa bệnh của các loại rau củ, ngũ cốc… Những năm gần đây một loại đường chức năng đang có xu hướng gia tăng ở nhiều quốc gia trên thế giới với các ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm như: là chất phụ gia thực phẩm, bổ sung vào các loại đồ uống dinh dưỡng, là nguyên liệu đầu của thuốc tổng hợp điều trị bệnh ung thư, phòng chống một số bệnh (mất ngủ, đường ruột…)… đó là đường xylose. Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu phương pháp sản xuất đường xylose bằng cách lên men các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật giàu xylan (như bã mía, lõi ngô…) nhờ vi sinh vật.
Tuy nhiên, ở Việt Nam vấn đề này vẫn còn rất mới. Trong khi đó, nước ta là một nước nông nghiệp, cùng với lượng nông sản tạo ra khá lớn là các phế phụ phẩm và các phế thải mà ngành nông nghiệp thải ra, trong đó có lõi ngô. Việc xử lý các phế thải nông nghiệp này không hợp lý không những gây ra ô nhiễm môi trường trầm trọng mà còn làm giảm hiệu quả sản xuất của ngành công nghệ sau thu hoạch. Vì thế, nghiên cứu phương pháp sản xuất đường xylose Khoa Công nghệ thực phẩm 1 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thuỳ Liên- BQB50 từ lõi ngô sẽ giúp chúng ta rất nhiều trong việc tận dụng loại phế thải nông nghiệp này.
Vì vậy, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu công nghệ sản xuất đường xylose từ lõi ngô”. Mục đích và yêu cầu của đề tài 1. Mục đích của đề tài Đưa ra được quy trình công nghệ sản xuất đường xylose từ lõi ngô quy mô phòng thí nghiệm. Yêu cầu của đề tài - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thuỷ phân nguyên liệu - Nghiên cứu công nghệ lên men bởi chủng nấm mốc Aspergillus niger DL1.
- Nghiên cứu công nghệ thu nhận đường xylose. - Đánh giá chất lượng của đường xylose. - Đưa ra quy trình công nghệ sản xuất đường xylose từ lõi ngô quy mô phòng thí nghiệm. Khoa Công nghệ thực phẩm 2 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thuỳ Liên- BQB50 PHẦN 2.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Giới thiệu chung về đường xylose 2. Đặc điểm của đường xylose Xylose là một đường 5 cacbon, có công thức phân tử là C 5H10O5. Xylose còn có tên gọi là “đường gỗ”, là đường có mặt trong nhiều loại gỗ.
Đường xylose: - Trọng lượng phân tử là 150. - Nhiệt độ nóng chảy là 144 - 1450C. - Kết tinh dạng bột màu trắng. - Tan trong nước và cồn.1 Công thức cấu tạo - Vị ngọt dịu [9].
của đường xylose [3] Xylose là thành phần chủ yếu của đường pentose - một trong hai nhóm đường chính thu được khi thuỷ phân hemicellulose trong nguyên liệu gỗ cứng và chất thải nông nghiệp. Sự thuỷ phân hemicellulose bằng axit có thể giải phóng ra những loại đường khác nhau ngoài D - xylose như D - galactose, D - glucose, D - mannose và L - arabinose. Kèm theo đó còn là các sản phẩm thuỷ phân khác như fucfural, 5 - hydroxymethyl fucfural, axit acetic, axit syringic [13]. Khi thuỷ phân hemicellulose trong thân lúa mì người ta thu được 31% xylose, 59% glucose và khoảng vài phần trăm các đường khác (arabinose, galactose, mannose).
Trong lượng đường giải phóng ra từ rơm rạ có khoảng 18% pentose và 26. Ứng dụng của đường xylose Xylose là một loại đường tự nhiên có nhiều ứng dụng trong thực tế. Cho đến nay, xylose đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại sản phẩm khác nhau ở nhiều quốc gia trên thế giới. Phạm vi ứng dụng của xylose chủ yếu thuộc về hai lĩnh vực là công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.
Khoa Công nghệ thực phẩm 3 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thuỳ Liên- BQB50 Những ứng dụng chính của đường xylose được thể hiện ở hình 2. Xylose Công nghiệp thực phẩm Dược phẩm - Thành phần của các - Nguyên liệu đầu cho các thực phẩm chức năng. loại thuốc điều trị ung - Phụ gia thực phẩm. thư, AIDS và một số bệnh khác.
- Sản xuất xylitol. Ứng dụng chính của đường Xylose [1, 11] Trong công nghiệp thực phẩm, xylose được sử dụng để sản xuất bánh kẹo, dùng làm chất phụ gia thực phẩm và là sản phẩm được bổ sung vào các loại đồ uống. Nhờ xylose có độ ngọt tương đương với đường sucrose và do đặc điểm mất nhiệt khi hoà tan nên tạo cảm giác mát lạnh trong miệng. Đặc tính này làm cho xylose rất hấp dẫn trong một số sản phẩm thực phẩm, đặc biệt là đồ uống [1].
Trong lĩnh vực y dược, xylose được biết đến như một trong những nguyên liệu đầu của việc tổng hợp thuốc trị bệnh ung thư, AIDS và một số bệnh khác. Việc tổng hợp những dẫn xuất trung gian quan trọng để điều chế những thuốc này đã đạt được. Những bước chính trong quá trình chuyển đổi bao gồm việc chuyển đổi D - Xylose thành 1, 2 - Isopropylidene - α - D - xylofuranose, 5 - O - tert - butydimethylsilyl - 1, 2 - O - Isopropylidene, 5 - O - benzyl - 1, 2 - O -Isopropylidene - α - D - xylofurranose [11]. Ngoài ra, xylose còn là nguyên liệu trong lên men để tạo ra xylitol - sản phẩm có nhiều ứng dụng trong dược phẩm.
Do quá trình đồng hoá xylitol Khoa Công nghệ thực phẩm 4 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thuỳ Liên- BQB50 trong cơ thể không phụ thuộc vào insulin nên xylitol được sử dụng trong dược phẩm để làm nguồn đường thay thế cho các bệnh nhân tiểu đường [18].1 Đặc điểm của xylan Xylan là một Heteropolymer được tạo thành bởi một chuỗi các nhóm xylose liên kết với nhau qua liên kết β - 1 - 4 glycoside và phân nhánh bởi các chuỗi carbonhydrate ngắn như axit D - glucuronic hoặc đồng phân của nó 4 - O - methylether, α - arabinose hoặc các Oligosaccharide tạo thành từ D - xylose, L - arabinose, D - hay L - galactose và D - glucose [13]. Công thức cấu tạo của Xylan [22] Người ta tìm thấy xylan là thành phần chính của hemicellulose - một polisaccharides được cấu thành từ các đường pentose (xylose, arabinose), các đường hexose (mannose, glucose, galactose), và các axit [13]. Xylan gồm nhiều loại khác nhau, có thể được chia thành homoxylan và heteroxylan bao gồm: glucuronoxylan, (arabino) glucuronoxylan, (glucurono) arabinoxylan, arabinoxylan và tổ hợp heteroxylan. Xylan khi hoàn toàn là homoxylan (tìm thấy trong tảo biển Palmariales và Nemaliales) mạng lưới của chúng bao gồm xylopyranose được liên kết bởi liên kết β - 1 - 3 hay hỗn hợp β - (1 - 3, 1 - 4) glycoside.
Hỗn hợp heteroxylan có mặt ở trong ngũ cốc, hạt cây, mủ và nhựa cây có mạng lưới β (1 - 4) - D - xylopyranose gắn với chuỗi mono và oligoglycosyl [13].3 là công thức cấu tạo của một số loại xylan. Khoa Công nghệ thực phẩm 5 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thuỳ Liên- BQB50 a) Xylan Hemicellulose b) (4 - O - Methyl - α - D - glucurono) - D – Xylan Hình 2. Công thức cấu tạo hoá học của một số loại xylan [22] 2. Lõi ngô - Nguồn xylan phong phú Cây ngô (Zea Mays L.) là một trong ba cây lương thực quan trọng trên thế giới.
So với lúa nước và lúa mì thì cây ngô chiếm thứ 3 về diện tích, thứ 2 về sản lượng và thứ nhất về năng suất. Với vai trò làm lương thực cho người (chiếm 17% tổng sản lượng), thức ăn chăn nuôi (66%), nguyên liệu công nghiệp (5%), và xuất khẩu (hơn 10%), ngô đã trở thành cây trồng góp phần đảm bảo an ninh lương thực, góp phần chuyển đổi cơ cấu nông nghiệp từ trồng trọt sang chăn nuôi, cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp và sản phẩm hàng hoá xuất khẩu ở nhiều nước trên thế giới [21]. Khoa Công nghệ thực phẩm 6 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thuỳ Liên- BQB50 Ở Việt Nam, cây ngô được đưa vào trồng khoảng hơn 300 năm trước đây do Trần Thế Vinh - Người huyện Tiên Phong, Sơn Tây sang sứ nhà Thanh lấy được giống đem về nước. Trong những năm qua, cây ngô ở nước ta đã có những bước tiến dài cả về diện tích, năng suất và sản lượng nhờ ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến trong sản xuất, chuyển đổi cơ cấu giống, thâm canh.
Tình hình sản xuất ngô của nước ta trong những năm gần đây được thể hiện qua bảng 2. Tình hình sản xuất ngô Việt Nam (2005 - 2008) Năm Diện tích Sản lượng Năng suất (1000 ha) (1000 tấn) (tạ/ ha) 2005 1052.1 ta nhận thấy diện tích, năng suất và sản lượng ngô của nước ta ngày càng tăng. Cùng với đó là những phế thải mà quá trình sản xuất ngô tạo ra như thân ngô, lá ngô, lõi ngô. Trong đó, lõi ngô chiếm tỷ lệ nhiều hơn cả.
Lõi ngô có đặc điểm là hàm lượng xylan khá lớn (19 – 23%) so với các loại thực vật khác [17]. Mặt khác, lõi ngô có chứa cellulose và lignin nên không bị lên men trực tiếp vì vậy nó đã được sử dụng trong một số lĩnh vực như tạo điện năng, tạo bê tông chống thấm, làm phân bón, làm cơ chất để nuôi trồng một số loại nấm. Tuy nhiên hiệu quả đạt được chưa cao. Hàm lượng xylan trong một số loại thực vật được thể hiện qua bảng 2.
Khoa Công nghệ thực phẩm 7 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thuỳ Liên- BQB50 Bảng 2. Thành phần hemicellulose trong sinh khối thực vật (% trọng lượng khô) [17] Loại thực vật Thành phần hemicellulose (% trọng lượng khô) Galactan Xylan Arabina Mannan Thân ngô, lõi ngô khô 1.8 Cây gỗ ngắn ngày 0.8 25 18 - Không chỉ là nguồn nguyên liệu chứa nhiều xylan mà đây còn là nguồn nguyên liệu tương đối sẵn có và rẻ tiền rất phù hợp cho sản xuất đường xylose. Các phương pháp sản xuất đường xylose Có hai phương pháp chủ yếu để sản xuất đường xylose là phương pháp hoá học và phương pháp lên men nhờ vi sinh vật.
