تولید شربت فروکتوز از خرمای ضایعاتی

مقدمه:

اگر چه پیشرفت های آنزیمی منجر به تولید شربت گلوکز با DE بالا شده است اما این محصولات برای برخی از کاربردها از قبیل نوشیدنی ها نامطلوب هستند زیرا شیرینی مناسبی ندارند و گرانروی بالایی دارند. اگرچه شربت محتوی 20% فروکتوز در سال 1920 در دسترس بود اما فناوری لازم برای دستیابی به محصول با سطح شیرینی معادل ساکارز (جهت جایگزینی با ساکارز) تا سال 1966 در دسترس نبود. از آنجایی که تبدیل به فروکتوز 42% برای همه کاربردها مناسب نبود، پیشرفت ها در فناوری جداسازی منتج به تولید شربت ذرت با فروکتوز بالا در سطوح42، 55 و 90% شد که اثر عمیقی بر صنعت پالایش ذرت گذاشت.

نمایی شماتیک از تولید شربت فروکتوز از نشاسته در شکل روبرو به نمایش گذاشته شده است:

همانطور که در شکل روبرو مشاهده می شود، محلول نشاسته حرارت می بیند و آماده هیدرولیز آنزیمی با استفاده از آنزیم های اندو آمیلاز (مانند آلفا آمیلاز-برای شکستن پیوند های آلفا 1 و 4 و مایع سازی نشاسته) و اگزو آمیلاز ها و آنزیم های شاخه شکن (که پیوند های آلفا 1 و 6 را می شکنند) می شوند تا در نهایت، شربت دکستروز با DE بالای 95 % حاصل شود (بیش از 95% آن گلوکز باشد).

تصفیه شربت نشاسته

فیلتر تحت خلأ چرخان (Rotary Vacuum filter) یا فیلتر غلطکی جهت فیلتراسیون شربت و حذف ناخالصی های درشت آن استفاده می شود. فیلتر غلطکی با یک پارچه پوشیده می شود و یک لایه 10 تا 15 سانتی متری خاک دیاتومه یا سایر مواد مناسب برای فیلتراسیون روی آن قرار می گیرد. در حین چرخش غلطک، خلأ ایجاد شده، شربت را به داخل غلطک می کشاند. لایه بیرونی غلطک، مواد نامحلول باقی مانده در شربت نشاسته را به دام می اندازد تا به حالت رسوب درآید. برای حفظ جریان، یک چاقو به طور مداوم این لایه مواد را از سطح غلطک حذف می کند.

مرحله رنگبری با استفاده از کربن فعال

پس از فیلتراسیون مرحله قبلی، شربت نشاسته هیدرولیز شده دارای رنگ زرد ضعیف و محتوی مقادیر کمی از ناخالصی های آلی که یا در ذرت وجود داشته اند یا طی شرایط فرآوری به وجود آمده اند، است. در صورت عدم حذف، ترکیباتی از قبیل اسید آمینه ها، پپتیدها و هیدروکسی متیل فورفورال می توانند با قندهای احیا کننده واکنش دهند و ترکیبات نامطلوب طعم و رنگی را در مراحل بعدی به وجود آورند. 

رنگبری با کربن فعال به صورت پودری یا گرانولی، یک روش متداول و موثر برای حذف ترکیبات است. به خاطر مقیاس پالایشگاه ذرت، کربن گرانولی متداولتر است. واحد رنگبری با کربن گرانولی، یک ستون بستر پالسی است که شربت با دمای 70-80 درجه سانتیگراد از آن عبور می کند. گرانول های کربنی متخلخل دارای سطح تماس زیادی هستند و بنابراین در به دام اندازی و حذف ترکیبات رنگی مؤثر هستند.

رزین های رنگبری/ یون زدایی و تعویض یون

سامانه های تعویض یون یا یون زدایی به طور فزاینده ای برای حذف ترکیبات رنگی و ناخالصی های شیرین کننده ها استفاده می شود. این مرحله ممکن است اضافه بر سامانه کربنی یا به جای آن باشد. یون زدایی معمولا پس از مرحله کربن فعال است و از واحدهای حذف کاتیونی و آنیونی مجزا تشکیل شده است. این ستون ها علاوه بر حذف نمک ها، در حذف پروتئین ها و سایر ترکیبات رنگی و پیش سازها نیز موثر هستند. بنابراین، شربت عبور کرده از سامانه تعویض یون، دارای رنگ بهتر و پایداری رنگ نسبت به محصولات مشابهی است که از این ستون عبور نکرده اند. 

لیست برخی از یون هایی که با فرآیند یون زدایی حذف می شوند شامل سدیم، پتاسیم، کلسیم، منیزیم، آهن (II)، کلر، سولفات، سولفیت و اسیدهای آلی ضعیف می باشد. 

تبخیر و تغلیظ

تغلیظ شربت نهایی در اواپراتور چند مرحله ای از نوع لایه نازک ریزشی (Falling film) تحت شرایط خلأ اتفاق می افتد. در اپراتورهای چند مرحله ای، شربت در هر مرحله در فشار و دمای پایین تری به جوش می آید که این امر منجر به کاهش توسعه رنگ ناخواسته در شربت نسبت به اواپراتور تک مرحله می شود.

تولید شربت فروکتوز

پس از مرحله فیلتراسیون و کربن فعال، شربت یون زدایی می شود تا نمک های آن مخصوصا کلسیم حذف شود. این شربت با منیزیم غنی می شود و سپس از طریق یک سری ستون های محتوی آنزیم تثبیت شده ایزومراز یا بستر ها تحت عنوان ستون های ایزو عبور داده می شود. جهت رسیدن به زمان اقامت کافی دکستروز و واکنش آن با آنزیم جهت ایزومریزه شدن به فروکتوز 42%، سرعت جریان کنترل می شود. میزان فروکتوز تولید شده در ستون وابسته به سرعت جریان دکستروز عبوری از ستون و فعالیت آنزیم در در آن زمان است. از آنجایی که فعالیت آنزیم دارای ثابت سرعت تخریب است، سرعت جریان دکستروز باید به طور ثابتی کاهش پیدا کند تا درصد فروکتوز خروجی را حفظ کند. بنابراین بانک هایی از این ستون ها استفاده می شود تا بعد از اینکه سرعت تخریب از دو سوم زمان نیمه عمر آنزیم فراتر رفت، ستون از خط خارج شود و خللی در تولید کلی ایجاد نشود. بدین ترتیب، با حذف آنزیم های فرسوده و جایگزینی آنزیم های تازه، سرعت جریان و میزان فروکتوز حفظ می شود. محصول خروجی از شربت می تواند بیشتر تصفیه شود و سپس به عنوان فروکتوز 42% تا میزان ماده جامد 71% تغلیظ شود.   

جداسازی فروکتوز از گلوکز با استفاده از رزین های جداسازی

برخی از کاربردها به شیرینی مشابه ساکارز و یا قند اینورت نیاز دارند که هر دو این شربت ها شیرینی بیشتری نسبت به فروکتوز 42% ایجاد می کنند. فناوری ایزومریزاسیون آنزیمی سنتی نمی تواند سطوح بالاتری از فروکتوز را ایجاد کند زیرا سطح تعادل برای آنزیم گلوکز ایزومراز حدود 48% است. این مساله، واکنش تولید فروکتوز را به یک سطح بیشینه حدود 45% محدود می کند. برای تولید شیرین کننده با شیرینی مشابه شربت اینورت (حدود 105% شیرینی ساکارز)، فرآیند جداسازی برای افزایش محتوی فروکتوز ضروری است.

از طریق یک سری شیر اتوماتیک، امکان جدا کردن جریان غنی شده محتوی حدود 90% فروکتوز وجود دارد. به طور مشابه، جریان غنی شده از دکستروز (محتوی 90% دکستروز) یا رافینات جداسازی شده و مجددا به سیستم ایزومریزاسیون بر می گردد. با مخلوط کردن فروکتوز 42% با 90%، محصول حاوی فروکتوز 55% و دکستروز 40% حاصل می شود. این محصول یون زدایی می شود و با کربن تیمار می شود و سپس تا بریکس 77% تغلیظ می شود. هر دو شربت فروکتوز 42% و 55% به طور گسترده ای در صنعت غذا، به عنوان جایگزین شکر، کاربرد دارند. با این حال، صنعت نوشیدنی بزرگترین مصرف کننده شربت های 42 و 55% فروکتوز می باشد و بنابراین این محصولات باید مطابق دستورالعمل جامعه بین المللی متخصصین نوشیدنی های غیر الکلی تولید شود.

همانطور که ذکر شد برای تولید شربت فروکتوز 55%، شربت 42% وارد ستون های کروماتوگرافی شده و دو جریان با خلوص بالای گلوکز و دیگری با خلوص بالای فروکتوز از آن خارج می شود. با مخلوط کردن جریان محتوی فروکتوز بالا (با خلوص حدود 90%) با فروکتوز 42% (حاصل از رآکتور ایزومریزاسیون)، شربت فروکتوز 55% حاصل می شود. رزین جداسازی کروماتوگرافی Amberlite CR99 در شکل نمک کلسیم برای غنی سازی شربت ذرت با فروکتوز بالا استفاده می شود. این رزین در شکل پتاسیمی برای تولید دکستروز و ساکارز با خلوص بالا استفاده می شود.

رزین های کروماتوگرافی شرکت Dupont با مکانیسم کروماتوگرافی لیگاندی، شیرین کننده ها را جداسازی می کنند. در این مکانیسم، دانه های رزینی کروماتوگرافی در شکل کلسیمی، کمپلکس های بین مولکولی ضعیفی با قندهایی از قبیل گلوکز و فروکتوز، که به داخل دانه های رزین نفوذ می کنند، ایجاد می کنند. قدرت این برهمکنش برای هر قند، براساس شیمی (جهت گیری فضایی) گروه های هیدروکسیل موجود در مولکول های قند متفاوت است. فروکتوز نسبت به گلوکز کمپلکس قوی تری با کلسیم تشکیل می دهد و بنابراین، حرکت مولکول های فروکتوز در مسیر رزین کندتر از گلوکز خواهد بود. گلوکز سریعتر حرکت می کند و سریعتر از فروکتوز شسته می شود که نتیجه آن، جداسازی دو قند می باشد (مطابق شکل زیر). 

نتیجه گیری کلی

مزیت شیره خرما نسبت به گلوکز حاصل از هیدرولیز نشاسته ذرت (به عنوان ماده اولیه اصلی شربت فروکتوز) این است که شیره خرما ذاتا دارای درصد قابل توجهی فروکتوز می باشد (معمولا بیش از 30%). بنابراین در صورتی که فروکتوز شیره خرما قابل توجه باشد، پس از استخراج و تصفیه شیره، ابتدا فروکتوز از گلوکز جداسازی می شود و سپس گلوکز در رآکتور آنزیمی به فروکتوز حدود 42% تبدیل می شود.
 

نویسنده: دکتر حامد صابریان - عضو هیأت علمی و مدیر مرکز خدمات تخصصی مهندسی کشاورزی جهاد دانشگاهی واحد صنعتی اصفهان