Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất pectin

Tổng quan Giới thiệu về pectin Khái niệm về pectin [16]: Pectin là một hợp chất tự nhiên có nhiều trong màng tế bào của các loài thực vật bậc cao, phân bố chủ yếu ở các bộ phận như quả, củ, thân. Trong màng tế bào, pectin có mặt ở phiến giữa (với hàm lượng cao nhất) và vách tế bào sơ cấp. “Pectin” là một thuật ngữ để chỉ một nhóm các chất sau: -Protopectin: là pectin ở trạng thái tự nhiên (trong vách tế bào thực vật và phiến giữa), mức độ methyl hoá rất cao, không hoà tan. Protopectin có nhiều trong quả xanh. -Acid pectinic: mức độ methyl hoá trung bình, tan, muối là pectinate. -Pectin: mức độ methyl hoá trung bình, tan, bản chất là chất keo, có khả năng tạo gel, tạo nhũ, tạo đặc và ổn định. -Acid pectic: mức độ methyl hoá rất thấp, tan, muối là pectate. Người ta rất hay lẫn lộn giữa pectin và acid pectinic nên thật ra trong thực tế “pectin” là tên gọi chung của cả hai chất này. Pectin được đặc trưng bởi các chỉ số sau: + Chỉ số methoxyl ( MI ): biểu hiện tỷ lệ methyl hoá, là % khối lượng nhóm methoxyl ( -OCH3 ) trên tổng khối lượng. Sự methyl hoá hoàn toàn ứng với chỉ số methoxyl bằng 16,3%, các pectin tách từ thực vật thường có chỉ số methoxyl từ 10% đến 12%. + Chỉ số ester hoá (DE): thể hiện mức độ ester hoá của pectin, là % về số lượng của các gốc acid galacturonic được ester hoá trên tổng số lượng gốc acid galacturonic có trong phân tử. Cấu trúc của pectin: Pectin có cấu trúc phức tạp, dạng mạch thẳng, mỗi phân tử chứa từ vài trăm đến 1000 dơn vị, có phân tử lượng trung bình khoảng 50000 – 150000 đvC. Pectin thương phẩm không có khối lượng phân tử xác định mà phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, phương pháp trích ly và loại sản phẩm. Phần tử đơn vị của pectin là acid D-galacturonic, ngoài ra còn có một số đường trung tính như rhamnose, galactose, arabinose và một số đường khác với hàm lượng ít hơn. Các nhóm carboxyl (-COOH) có thể tồn tại tự do hoặc ở dạng liên kết ester với methanol, acid acetic, acid phenolic hoặc ở dạng muối của Na+, K+, NH4+, … Hình 1.1. Cấu trúc phân tử acid D-galacturonic [13] Ở pectin amid hoá, một phần các gốc carboxyl trong phân tử pectin bị amid hoá tạo thành các nhóm amid (-CO=NH2). Ngoài ra pectin cũng có thể chứa các gốc acetyl. Hình 1.2. Các nhóm chức của pectin [15] Phân loại Pectin: Sản phẩm pectin trên thị trường rất phong phú và đa dạng về chủng loại. Sản phẩm của mỗi công ty có tên gọi và đặc điểm riêng. Có thể phân loại pectin trên thị trường theo các cách sau đây: Theo trạng thái Pectin dạng lỏng cô đặc Chiết suất pectin sấy khô Pectin dạng bột Theo nguồn nguyên liệu Pectin táo Pectin quả múi Pectin nho Pectin củ cải đường Pectin hướng dương Theo chỉ số DE High methoxyl pectin (HMP) Medium methoxyl pectin (MMP) Low methoxyl pectin (LMP) Low methoxyl amidated pectin (LMAP) Acid pectic Ngoài ra còn có dạng High methoxyl amidated pectin (HMAP) nhưng ít gặp Hình 1.3: HMP (High Methoxyl Pectin) [13] Hình 1.4: LMP (Low methoxyl Pectin) [13] Hình 1.5: LMAP (Low methoxyl amidated pectin) [13] Theo tốc độ tạo gel Pectin có tốc độ tạo gel thật nhanh (Ultra Rapid Set) Pectin có tốc độ tạo gel nhanh (Rapit Set) Pectin có tốc độ tạo gel trung bình (Medium Set) Pectin có tốc độ tạo gel chậm (Slow Set) Pectin có tốc độ tạo gel cực chậm (Ultra Slow Set) Theo đặc tính riêng Pectin tinh khiết được sản xuất từ một loại nguyên liệu duy nhất Pectin hỗn hợp, được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu (đồng trích ly) (ví dụï Combin Pectin là pectin sản xuất từ vỏ táo và vỏ quả múi, gel tạo thành vừa có tính đàn hồi cao của pectin quả múi vừa dễ phết như pectin táo). Pectin có khả năng phân tán nhanh, không tạo thành vón cục (như Istant Pectin): loại pectin này được sản xuất bằng cách xử lý bột pectin đã chuẩn hoá để thu được hạt to hơn nhưng có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn. Theo độ nhớt Pectin có độ nhớt cao Pectin có độ nhớt trung bình Pectin có độ nhớt thấp Pectin có độ nhớt cực thấp Theo lĩnh vực ứng dụng Pectin thực phẩm Pectin dược phẩm: pectin táo, pectin quả múi biến tính. 1.1.4. Tính chất của pectin: - Pectin thuộc nhóm các chất phụ gia tạo gel, tạo sệt và được xem là một trong những phụ gia thực phẩm an toàn và được chấp nhận nhiều nhất.Và điều này được chứng minh bởi hàm lượng ADI cho phép là “ không xác định”được ban hành bởi các tổ chức JECFE (Joint Food Expert Committe), SCF (Scientific Committee for Food) ở Liên Minh Châu Âu và GRAS (General Regarded). Mã hiệu quốc tế của pectin là E440. - Pectin tinh chế có dạng chất bột màu trắng xám nhạt. Hình 1.6: Pectin tinh chế [15] Bảng1.1: Tiêu chuẩn chất lượng của sản phẩm pectin theo tiêu chuẩn của IPPA (International Pectin Producers – Hiệp hội các nhà sản xuất pectin trên thế giới)[13] Tên các chất trong sản phẩm Hàm lượng cho phép Ethanol < 1% Kim loại nặng < 20mg/kg Arsen < 3mg/kg Chì < 5mg/kg Cadimi < 1mg/kg Thuỷ ngân < 1mg/kg Tính tan của pectin trong nước: 1.1.4.1.1. Tính tan: - Pectin tan trong nước và tạo thành dung dịch có độ nhớt rất cao.. - Khi tiếp xúc với nước, pectin nhanh chóng hấp thu nước và trương nở gấp nhiều lần so với kích thước ban đầu, sau đó các phân tử pectin bắt đầu tách rời khỏi hạt pectin từ ngoài vào trong cho đến khi biến mất. -Nếu các hạt pectin dính nhau khi tiếp xúc với nước thì tất cả chúng sẽ trương lên, dính nhau và hợp lại thành một viên to và hoà tan rất lâu. - Ngược lại, nếu các hạt pectin được tách rời nhau trước khi tiếp xúc với nước thì chúng sẽ có đủ chỗ trống để trương nở mà không dính vào nhau. Trước khi tiếp xúc với nước Sau khi tiếp xúc với nước Trước khi tiếp xúc với nước Sau khi tiếp xúc với nước Hình 1.7: Pectin (đã tách rời hạt) trước và sau khi tiếp xúc với nước [15] - Để tránh làm vón cục pectin cần phải tách rời các hạt pectin trước khi cho pectin tiếp xúc với nước. 1.1.4.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hoà tan của pectin: - Nhiệt độ hoà tan: Nhiệt độ càng cao pectin hoà tan càng tốt, nhiệt độ thích hợp nhất để hoà tan pectin là trên 800C. - Thời gian hoà tan càng lâu, pectin càng tan được nhiều hơn. - Tốc độ khuấy càng cao, pectin hoà tan càng tốt. - Nồng độ chất khô: Để đảm bảo hoà tan tốt pectin, nồng độ chất khô của dịch nấu khi bổ sung pectin không nên quá 25%, nồng độ chất khô thích hợp nhất là <20%. Độ nhớt của dung dịch pectin: - So với các gum thực vật và các chất tạo đặc khác, dung dịch pectin có độ nhớt tương đối thấp. - Ca2+ và các ion đa hoá trị khác làm tăng độ nhớt của dung dịch pectin. Do đó độ nhớt của dung dịch pectin phụ thuộc vào độ cứng của nước. - PH cũng ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch pectin, trong dung dịch không chứa Ca2+, độ nhớt dung dịch pectin sẽ giảm khi pH tăng từ pH 3.5. - Độ nhớt càng lớn, khối lượng phân tử và khả năng tạo đặc của pectin sẽ càng lớn. Khả năng tạo đặc, tạo nhũ và ổn định nhũ tương: 1.1.4.3.1 Khả năng tạo đặc, giữ nước: - Pectin có khối lượng phân tử lớn khi hoà tan vào dung dịch, các nhóm hoạt động của pectin sẽ tương tác với nước tạo thành lớp vỏ hydrat làm cho lực liên kết ở mắt xích nào đó của phân tử bị yếu đi, các phân tử pectin bị xê dịch rồi bị nhão ra, nước xâm nhập vào bên trong khiến pectin trương lên. - Nếu pectin chỉ trương lên mà bị không rã ra thì pectin đóng vai tròø chất giữ nước, còn nếu pectin bị rã ra hoàn toàn tạo thành dung dịch nhớt thì pectin đóng vai trò chất tạo đặc. 1.1.4.3.2. Khả năng ổn định nhũ tương: - Pectin hoà tan trong pha liên tục và làm tăng độ nhớt của hệ phân tán, hạn chế khả năng chuyển động của các giọt phân tán, làm giảm va chạm giữa chúng, nhờ đó hạn chế sự tạo giọt. - Khả năng tạo đặc và ổn định hệ nhũ tương là hai tính chất đi kèm nhau. 1.1.4.3.3. Khả năng tạo nhũ : - Pectin có các nhóm ưa nước (carboxyl, hydroxyl) và kỵ nước (methoxyl ) trong phân tử, hấp phụ lên bề mặt phân pha và tạo thành lớp màng đặc bao quanh các giọt phân tán, nhờ đó ngăn cản sự tụ giọt. - Pectin được ứng dụng làm chất ổn định nhũ tương trong thực phẩm như sốt mayonnaise, nước sốt cho rau trộn. Khả năng tạo gel: - Đặc tính quan trọng của pectin là khi có mặt của acid và đường, nó có khả năng tạo gel, tính chất này được ứng dụng khá phổ biến trong công nghệ sản xuất bánh kẹo. - Pectin có khả năng tạo gel tốt theo một trong hai cơ chế: đường- acid và cơ chế tạo gel bằng Ca2+ (hay còn gọi là cơ chế “egg-box”). - Cơ chế tạo gel của pectin phụ thuộc vào chỉ số DE. + Khi chỉ số DE giảm, khả năng tạo gel theo cơ chế đường-acid giảm, khả năng tạo gel với các ion hoá trị II (hay dùng nhất là Ca2+) tăng. + Khi chỉ số DE tăng, khả năng tạo gel theo cơ chế đường-acid tăng. - HMP chỉ tạo gel theo cơ chế đường-acid. - LMP tạo gel theo hai cơ chế trên. 1.1.4.4.1 Điều kiện tạo gel: Điều kiện tạo gel của HMP: pH thấp: 1-3,5. Nồng độ chất khô cao: 55-85%. Không cần Ca2+. Phải có đường và acid. Điều kiện tạo gel của LMP: pH: 1-7 hay cao hơn.. Hàm lượng chất khô: 0-85%. Cần Ca2+. 1.1.4.4.2. Cơ chế tạo gel: Cơ chế tạo gel của HMP: -Tạo gel theo cơ chế đường-acid, sự kết hợp của chuỗi pectin là kết quả của hai tương tác khác nhau. * Sự tương tác của các nhóm kỵ nước. - Các nhóm methylester kỵ nước sẽ tụ tập lại sao cho bề mặt tiếp xúc với nước là nhỏ nhất, tạo ra sự kết tụ ban đầu của các mạch pectin, chính các nhóm này quyết định thời gian tạo gel của HMP. * Sự hình thành các cầu nối hydro: Các cầu nối hydro được hình thành giữa các nhóm carboxyl tự do không phân ly, đóng vai trò ổn định khối liên kết trong quá trình kết tụ của các nhóm methylester và giữ chúng lại với nhau, pH càng thấp, số nhóm carboxyl liên kết càng ít thì các cầu nối hydro sẽ hình thành dễ dàng. Hình 1.8: Cơ chế tạo gel bằng liên kết Hydro [11] Cơ chế tạo gel của LMP: - Sự kết hợp của các chuỗi pectin xảy ra do phản ứng với các ion Ca2+. Do hình dáng khúc khuỷu, giữa các mạch pectin sẽ hình thành nhiều chỗ trống. Các chỗ trống này bị các nhóm carboxyl và hydroxyl chiếm chỗ. Sự hình thành các lỗ trống và các nhóm hydroxyl, carboxyl giúp cho pectin dễ dàng liên kết trung gian với ion Ca2+. Các vùng liên kết được hình thành giữa các đoạn mạch pectin xoắn ốc, mỗi vùng có ít nhất 14-20 gốc acid galacturonic liên kết với nhau. -Khi không có mặt ion Ca2+, LMP tạo gel bằng cách hình thành các vùng liên kết trượt ở nhiệt độ thấp (khoảng 100C), gel tạo thành trong suốt. - Quá trình tạo gel của LMP tương đối độc lập với nồng độ chất khô và pH của sản phẩm. Hình 1.9: Cơ chế tạo gel bởi Ca2+ [11] 1.1.4.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo gel của pectin: Tính chất tạo gel của pectin chịu tác động kết hợp bởi nhiều yếu tố như bản chất của pectin, nhiệt độ tạo gel, pH, đường và các chất hoà tan, Ca2+ và các ion khác. Các yếu tố này có liên quan lẫn nhau và cùng ảnh hưởng lên quá trình tạo gel của pectin. Bản chất của pectin Các loại pectin khác nhau có thể khác nhau về chiều dài phân tử, mức độ methoxyl hoá, sự phân bố các nhóm ưa nước và kỵ nước trên mạch pectin …Mỗi điểm khác biệt đều khiến cho tính chất tạo gel của pectin khác đi. Chiều dài phân tử: Mạch pectin càng dài, khả năng tạo gel càng cao, gel tạo càng cứng. Nếu mạch pectin quá ngắn, pectin sẽ không thể tạo gel. Các nhóm chức: - Sự có mặt của nhóm amid khiến tính chất tạo gel của LMAP có một số điểm khác với LMCP. - Nhóm amid khiến cho LMAP kém ưa nước hơn, do đó làm tăng khả năng tạo gel, LMAP nhạy cảm với canxi hơn LMCP. - Số lượng các nhóm amid quyết định độ nhạy cảm với canxi của LMAP, mức độ amid hoá càng cao thì lượng Ca2+ càng giảm. - Các nhóm amid ổn định khối gel bằng các cầu nối hydro khiến gel đàn hồi ở nồng độ Ca2+ thấp hơn. Nhiệt độ tạo gel tăng lên khi mức độ amid hoá tăng. Mức độ methylester hoá (DE): - DE quyết định cơ chế tạo gel, ngoài ra còn quyết định nhiệt độ và thời gian tạo gel. - Nhiệt độ tạo gel là nhiệt độ bắt đầu xuất hiện dấu hiệu tạo gel khi làm nguội. - Thời gian tạo gel là khoảng thời gian tính từ lúc kết thúc chuẩn bị hỗn hợp tạo gel cho đến khi gel hìng thành. - Mức độ methyl ester hoá có ảnh hưởng đến sự kết tụ giữa các nhóm methyl ester, số nhóm methyl ester càng nhiều, sự kết tụ xảy ra càng nhiều khiến thời gian tạo gel càng ngắn, nhiệt độ tạo gel càng cao. - Khi DE giảm thì nhiệt độ tạo gel cũng giảm, thời gian tạo gel tăng. - Trong sản xuất bánh kẹo, thường dùng pectin có DE khoảng 60% do tốc độ tạo gel thích hợp cho quá trình sản xuất. b) Nhiệt độ tạo gel, thời gian tạo gel và chỉ số DE: - Khi nhiệt độ dung dịch pectin giảm, chuyển động nhiệt của các phân tử pectin giảm, khuynh hướng tạo gel tăng. - Mỗi dung dịch của pectin có nhiệt độ tạo gel tới hạn riêng. Vượt quá nhiệt độ này, pectin không thể tạo gel. Dưới nhiệt độ này, LMP tạo gel ngay lập tức còn HMP thì chậm hơn. -Dựa vào tốc độ tạo gel, HMP được phân thành các nhóm ở bảng sau: Bảng 1.2: Phân loại HMP [17] Loại HMP DE(%) Thời gian tạo gel (phút) pH Tốc độ tạo gel cực nhanh 74-77 1-3 3.1-3.4 Tốc độ tạo gel nhanh 71-74 3-7 3-3.3 Tốc độ tạo gel trung bình 66-69 15-25 2.8-3.1 Tốc độ tạo gel chậm 58-65 30-120 2.6-2.9 LMP cũng được phân loại theo tốc độ tạo gel như sau: Bảng 1.3: Phân loại LMP [15] Loại LMP Tốc độ tạo gel DE ( % ) DA ( % ) LMCP Chậm 40 0 LMCP Nhanh 30 0 LMAP Chậm 35 15 LMAP Nhanh 30 20 - Đối với HMP, DE càng cao thì tốc độ tạo gel càng cao hay nhiệt độ tạo gel có thể càng cao. - Đối với LMP, DE càng thấp thì tốc độ tạo gel càng cao. - Chỉ số DE càng cao tức là số nhóm kỵ nước (methyl ester) càng nhiều, số vùng liên kết giữa các nhóm kỵ nước càng nhiều khiến cho pectin tạo gel càng nhanh. c). Đường: - Trong dung dịch nước, pectin hoà tan trong nước, các nhóm OH- của mạch pectin liên kết với các H+ của phân tử nước. - Khi có mặt của đường, đường đóng vai trò là chất hydrat hoá, ngậm nước của phân tử pectin, pectin trở nên không hoà tan, cộng với H+ từ acid, H+ sẽ làm trung hoà điện tích của các gốc COO- trên mạch pectin, tạo gốc COOH, vì thế sợi pectin không còn đẩy nhau mà tiến lại gần nhau tạo thành mạng. - Lượng đường trong hỗn hợp pectin – đường – acid phải lớn hơn 50% thì mới có khả năng tạo gel. d). Ion Ca2+ và các ion dương khác: Ảnh hưởng của ion Ca2+ : - LMP có thể tạo gel khi có mặt các ion Ca2+. LMCP cần ít Ca2+ hơn LMAP để tạo thành gel có cùng độ cứng chắc. - Khi nồng độ Ca2+ tăng, độ bền của gel LMCP và LMAP đều tăng do tạo được nhiều liên kết giữa pectin với Ca2+ hơn. Ảnh hưởng của các ion dương khác: - Sự có mặt của các ion dương khác cũng ảnh hưởng đến sự tiến lại gần nhau của các mạch pectin. - Các ion dương này có thể có sẵn trong quả, trong nước hay do bổ sung vào (chất kìm hãm sự tạo gel). Mỗi ion dương sẽ tạo ra xung quanh nó một lớp vỏ hydrat có kích thước khác nhau, kích thước lớp vỏ hydrat càng nhỏ thì các mạch pectin sẽ tiến lại gần sát nhau do đó ít bị cản trở hơn, gel tạo thành sẽ giòn và đàn hồi hơn. e) pH: - pH có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo gel, điều chỉnh chính xác pH sẽ giúp quá trình tạo gel tốt và sản phẩm có mùi vị thích hợp. - Hàm lượng acid cần thiết phụ thuộc vào hàm lượng pectin và loại pectin, nồng độ chất khô và loại muối đệm sử dụng. - pH giảm thì nhiệt độ tạo gel tăng, thời gian tạo gel giảm do các mạch pectin liêên kết nhiều hơn. - pH tăng quá, nhiệt độ tạo gel sẽ giảm, thời gian tạo gel kéo dài, nguy cơ sản phẩm không tạo gel cũng tăng. - pH sản phẩm thích hợp để có mùi vị tốt là 3.2-3.6, đây là pH thường được chọn trong sản xuất kẹo dẻo và mứt đông, sản phẩm có kết cấu dai và cứng. - Không nên chọn pH < 3 vì mức độ tạo gel chỉ tăng đến một giới hạn nào đó của nồng độ acid sẽ ngừng lại bởi vì ở ngưỡng nồng độ đó toàn bộ gốc COO- của phân tử pectin đã được trung hoà điện tích, nên nồng độ H+ có tăng lên cũng không thể tăng thêm mức độ tạo gel. Chọn địa điểm xây dựng phân xưởng Phân xưởng thuộc nhà máy sản xuất nước ép trái cây. Nhà máy đặt tại khu công nghiệp Lê Minh Xuân. Địa chỉ khu công nghiệp là 260/4 Kinh Dương Vương, thị trấn An Lạc, huyện Bình Chánh, thành phố Hồ Chí Minh. Khu công nghiệp có hệ thống điện, hệ thống nước cấp, hệ thống xử lý nước thải hoàn chỉnh đảm bảo phân xưởng hoạt động tốt.