Enzyme là hợp chất xúc tác sinh học được hình thành trong tế bào dưới hợp chất protein có cấu trúc hóa học rất đặc thù. Trong tế bào sinh vật luôn xãy ra trao đổi chất, enzyme đã góp phần cho các phản ứng hóa học xãy ra ở điều kiện thường với tốc độ cực nhanh không cần sự hỗ trợ đặc biệt của các yếu tố nhiệt độ, áp suất.. Enzyme được nhận từ cơ thể sống khá nhau động vật, thực vật, vi sinh vật. Enzyme trong cơ thể sinh vật với chức năng xúc tác chọn lọc với vai trò định hướng tất cả mọi phản ứng xãy ra trong tế bào. Khi ở ngoài tế bào nhiều enzyme vẫn còn khả năng hoạt động tương tự. Nguồn enzyme chủ yếu lấy từ vi sinh vật. Cơ chế tác dụng của enzyme hydrolaza: Sự khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết dịnh khả năng và sự dễ dàng của phản ứng thủy phân. Tác dụng xúc tác của enzym phụ thuộc vào tùng trường hợp và có sự phân bố electron đã tồn tại trước đó quyết định. Enzyme có thể tác dụng bằng các cách khác nhau. Cơ chế đon giản nhất cho phép liên hệ phần dương của liên kết bị thủy phân với tác dụng của enzyme là: tâm ái nhân của enzye sẽ tương tác trực tiếp với một trong hai nguyên tử từ tích điện dương của liên kết bị thủy phân.Sự tạo thành phức hợp trực tiếp như thế với trung tâm phản ứng sẽ làm cho sự đức các liên kết và thủy phân được dễ dàng. Một cơ chế khác liên hệ tính tác dụng của enzyme với sự khuyết electron của liên kết bị thủy phân là : enzyme làm tăng sự khuyết electron vốn đã tồn tại trước đó bằng cách tạo thành liên kết tương ứng với cơ chất ở những vị trí ít nhiề gần gũi với liên kết bị thủy phân. Nhờ vậy làm cho sự phân bố electron trong phân tử cơ chất bị thay dỏi theo một chiều hướng cần thiết, khiến cho việc đức liên kết được dễ dàng hoặc khiến cho một trong hai nguyên tử của liên kết tương tác được với các tác nhân ái nhân. Cơ chế xác tác của Enzyme gồm 3 giai đoạn: Ở giai đoạn 1 phản ứng xãy ra tương đối nhanh cơ chất (S) được liên kết với enzyme (E) nhờ các liên kết yếu. Lúc này sự liên kết không gian giữa các phân tử cơ chất và enzyme chưa đủ hiệu quả đối với sự xúc tác của enzyme. Ở giai đoạn tiếp theo xãy ra sự biến dổi của cơ chất (S) có liên quan đến sự phá vỡ hay hình thành các liên kết cộng hóa trị. Ở giai đoạn này,cơ chất được hoạt hóa ( một hoặc vài phức chất ES chuyển tiếp được hoạt hóa). Ở đây cấu trúc bậc 3 của enzyme luôn biến đổi tạo khả năng tiếp xúc giữa các nhóm hoạt động của enzyme với cơ chất đang biến đổi. Enzyme đã lm biến đổi phần tử cơ chất làm cho các liên kết bên trong phân tử trở nên lỏng lẻo hơn, do đó chỉ cần một lượng năng lượng nhỏ cũng đủ làm cho cơ chất biến thành các sản phẩm (P) khác nhau. Người ta đã chứng minh rằng trong khi hình thành phức chất ES có 2 quá trình đồng thời xãy ra nhanh chóng đó là: a) Sự thay đổi mật độ điện tử gây nên sự phân cực hóa các liên kết. b)Sự biến dạng về mặt hóa học của các liên kết kéo căng trong phân tử liên kết.
CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ENZYME 1.1 Định nghĩa Enzyme Enzyme hợp chất xúc tác sinh học hình thành tế bào hợp chất protein có cấu trúc hóa học đặc thù Trong tế bào sinh vật xãy trao đổi chất, enzyme góp phần cho phản ứng hóa học xãy điều kiện thường với tốc độ cực nhanh không cần hỗ trợ đặc biệt yếu tố nhiệt độ, áp suất Enzyme nhận từ thể sống động vật, thực vật, vi sinh vật Enzyme thể sinh vật với chức xúc tác chọn lọc với vai trò định hướng tất phản ứng xãy tế bào Khi ngồi tế bào nhiều enzyme cịn khả hoạt động tương tự Nguồn enzyme chủ yếu lấy từ vi sinh vật 1.2 Phân loại Enzyme 1.2.1 Hydrolaza: Đây loại enzyme ứng dụng nhiều nhất, có tác dụng xúc tác cho phản ứng thủy phân hợp chất phức tập gluid, lipid protid để trở thành phần tử đơn giản R1R2+H2OR1OH+R2H Loại enzym có nhóm tùy thuộc vào gluxidazin, estaraza, proteaza, peptidaza Cơ chế tác dụng enzyme hydrolaza: Sự khuyết electron liên kết bị thủy phân yếu tố quan trọng dịnh khả dễ dàng phản ứng thủy phân Tác dụng xúc tác enzym phụ thuộc vào tùng trường hợp có phân bố electron tồn trước định Enzyme tác dụng cách khác Cơ chế đon giản cho phép liên hệ " phần dương" liên kết bị thủy phân với tác dụng enzyme là: tâm nhân enzye tương tác trực tiếp với hai nguyên tử từ tích điện dương liên kết bị thủy phân.Sự tạo thành phức hợp trực tiếp với trung tâm phản ứng làm cho đức liên kết thủy phân dễ dàng Một chế khác liên hệ tính tác dụng enzyme với khuyết electron liên kết bị thủy phân : enzyme làm tăng khuyết electron vốn tồn trước cách tạo thành liên kết tương ứng với chất vị trí nhiề gần gũi với liên kết bị thủy phân Nhờ làm cho phân bố electron phân tử chất bị thay dỏi theo chiều hướng cần thiết, khiến cho việc đức liên kết dễ dàng khiến cho hai nguyên tử liên kết tương tác với tác nhân nhân 1.2.2 Transferaza Loại enzyme xúc tác cho phản ứng chyển nhóm nguyên tử góc từ hợp chất sang hợp chất khác Tùy thuộc vào nhóm chuyển mà enzyme có tên khác Transminaza chuyển nhóm Amin Transmetylaza chuyển nhóm methul, oxydaza chuyển hydro chất sang oxy phân tử, peroxydaza chuyển nhóm hydro sang peroxit 1.2.3 Oxydoredutaza: Enzyme thuộc nhóm xúc tác cho phản ứng oxy hóa khử sở oxy hóa khử sinh học gắn liền với q trình hơ hấp lên men xãy thể sống Cách gọi tên theo hệ thống cất cho- chất nhận Oxydoreductaza Nhóm gồm enzyme sau: dehydrogenaza, oxyaza, xitocromereductaza peoxydaza 1.2.4 Liaza: Nhóm bao gồm enzyme phân cắt cac hợp chất hữu không thủy phân Các liaza quan trọng decarboxylaza, aldolaza,hydrolaza Men Syntheaza làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp enzyme làm thay đổi cấu trúc khơng gian Ngồi người ta cịn xếp thêm enzyme có khả giữ nhóm chức nối đôi fumaraza 1.2.5 Isomeraza Isomeraza nhóm enzyme xúc tác q trình đồng hóa enzyme sau: Glucophotphatizomeraza xúc tác chuyển hóa tương hổ ester phosphoric glucoza Trizaphotphattizomeraza xúc tác trình đồng hóa 3photphogliceric photphodioxyaceton hợp chất trung gian quan trọng trình lên men 1.2.6 Ligaza Xúc tác tổng hợp hợp chất hữu 1.3 Cấu tạo enzyme Bản chất hóa học enzyme Enzyme chia làm hai nhóm: + Nhóm enzyme cấu tử: cấu tử có cấu tử protein gọi "feron", "apoenzyme" Protein tạo thành từ phân tử số mạch polypeptit, mạch chứa amino acid nối với liên kết peptit + Nhóm enzyme hai cấu tử: phân tử ngồi protein cịn chứa cấu tử phi protein Cấu tử phi protein gọi "agon" "apoenzym" cách qua màng bán thấm tồn độc lập Nhiều enzyme hai cấu tử có mặt sắt catalaza, đồng polyphenolxydaza 1.4 Trung tâm hoạt đợng enzyme Tồn cấu trúc khơng gian phân tử enzyme có vai trị quan trọng hoạt tính xúc tác enzyme Tuy nhiên, hoạt động enzyme liên hệ trực tiếp với phần xác định phân tử enzyme Trung tâm hoạt động enzyme phần phân tử enzyme trực tiếp kết hợp với chất, tham gia trực tiếp việc tạo thành chuyển hóa phức chất trung gian enzyme chất để tạo thành sản phẩm phản ứng Trung tâm hoạt động bao gồm nhiều nhóm chức khác amino acid, phân tử nước liên kết với nhiều khí có cofactor hữu (coenzyme) vô Các enzyme thành phần, trung tâm hoạt động bao gồm tổ hợp nhóm chức amino acid khơng tham gia tạo thành trục sợi polypeptide Ví dụ, nhóm –COOH glutamic acid, -OH serine,… Các nhóm xa mạch polypeptide lại gần không gian, định hướng xác định không gian cách khoảng cách định cho chúng tương tác với trình xúc tác Trung tâm hoạt động enzyme hai thành phần thường bao gồm nhóm ngoại (vitamin, ion kim loại,…) nhóm chức aminoacid phần apoenzyme Sự tương ứng cấu hình khơng gian trung tâm hoạt động chất hình thành trình enzyme tiếp xúc với chất Giữa chất trung tâm hoạt động tạo thành nhiều tương tác yếu, dễ dàng bị cắt đứt trình phản ứng để giải phóng enzyme sản phẩm phản ứng Theo quan niệm Fisher trung tâm hoạt động enzyme hình thành sẵn với cấu tạo định cho phép chất có cấu tạo tương ứng kết hợp vào Do đó, ví tương ứng “ổ khóa với chìa khóa” Hình 1-1 Mơ hình Fisher (a) và mơ hình Koshland (b) Trung tâm hoạt động enzyme có cấu trúc bậc nằm phần đơn vị bao gồm nhóm chức thuộc phần đơn vị khác 1.5 Cơ chế hoạt đợng enzyme Mơ hình chìa khóa ổ khóa: trung tâm hoạt dộng phải có cấu trúc tương ứng với cấu trúc chất (khớp với chìa ổ khóa) Thuyết tiếp xúc cảm ứng: Sự tương tác cảm úng cấu trúc không gian tạo nên phức hợp enzyme chất Năng lượng hoạt hóa (Ea): Là lượng cần cung cấp để phan tử đạt tới trạng thái hoạt hóa VD: Xăng có khả bóc cháy cần lửa mồi Cơ chế tổng quát: ● Cơ chất phải gắn vào trung tâm hoạt dộng enzyme tạo thành phức hợp enzyme- chất [ES] ● Với tác dụng enzyme, hoạt tính chất tăng lên rõ rệt avf cần lượng hoạt há nhỏ tạo thành sản phẩm Cơ chế tác đụng theo Michaelis-Menten ● Tạo thành phức ES, phức không bền, phức tạo nên liên kết hóa học ● Dưới tác dụng enzyme, chất biến đổi thành sản phẩm ● Sau tạo sản phẩm (P), enzyme giải phóng trở lại trạng thái ban đầu ● Phản ứng tổng quát: E + S → ES → ES2 → EP → E + P 1.6 Cơ chế xúc tác enzyme Khi đặt vấn đề nghiên cứu xúc tác enyme người ta xuất phát từ giả thuyết cho phản ứng enzyme xúc tác, phức tạm thời " EnzymCơ chất " tạ thành Quá trình ày gồm giai đoạn: E + S → ES → EST → E + P Ở giai đoạn phản ứng xãy tương đối nhanh chất (S) liên kết với enzyme (E) nhờ liên kết yếu Lúc liên kết không gian phân tử chất enzyme chưa đủ hiệu xúc tác enzyme Ở giai đoạn xãy biến dổi chất (S) có liên quan đến phá vỡ hay hình thành liên kết cộng hóa trị Ở giai đoạn này,cơ chất hoạt hóa ( vài phức chất ES chuyển tiếp hoạt hóa) Ở cấu trúc bậc enzyme biến đổi tạo khả tiếp xúc nhóm hoạt động enzyme với chất biến đổi Enzyme lm biến đổi phần tử chất làm cho liên kết bên phân tử trở nên lỏng lẻo hơn, cần lượng lượng nhỏ đủ làm cho chất biến thành sản phẩm (P) khác Người ta chứng minh hình thành phức chất ES có q trình đồng thời xãy nhanh chóng là: a) Sự thay đổi mật độ điện tử gây nên phân cực hóa liên kết b)Sự biến dạng mặt hóa học liên kết " kéo căng" phân tử liên kết 1.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác enzyme 1.7.1 Nhiệt độ Trong phạm vi lý học, tốc độ phản ứng tăng lên tăng nhiệt độ Nhưng vượt phạm vi đó, phản ứng enzyme xúc tác bị ảnh hưởng biến tính phân tử protein-enzyme Kết phụ thuộc vào nhiệt độ tối thích enzyme, nhiệt độ mà tốc độ phản ứng enzyme đạt cực đại 1.7.2 Ảnh hưởng pH Mỗi enzyme có nhiệt độ tối thích hoạt tính chúng Ở phạm vi trị số hoạt tinh enzyme bị giảm thấp 1.7.3 Ảnh hưởng chất hoạt hóa và chất kìm hãm enzyme Những chất có khả làm tăng hoạt tính xúc tác enzyme gọi chất hoạt hóa enzyme Các chất thường ion kim loại như: K+, Na+,Mg2+, Ca2+, Người ta phân biệt hình thức kìm hãm enzyme phân biệt chất kìm hãm enzyme sau: Chất kìm hãm chung: chất kĩm hãm hoạt tính xúc tác tất enzyme Các chất muối kim loại nặng; chất tannin Chất kìm hãm riêng: có tác dụng kìm hãm hay nhóm enzyme có cấu tạo gần giống 1.7.4 Nồng độ chất và nồng độ enzyme Khi mơi trường có đầy đủ chất tốc độphản ứng tỷ lệ thuận với lượng enzyme Khi nồng độ chất thấp, không đủ để lôi kéo tất lượng enzyme vào phản ứng tốc độ phản ứng tăng tỷ lệ thuận với nồng độ chất Tốc độ phản ứng đạt tối đa tất enzyme kết hợp vào chất 1.8 Tính đặc hiệu enzyme 1.8.1 Đặc hiệu khơng gian Thường enzyme tác dụng dạng đồng phân quang họ Thí dụ phản ứng khử nước acid malic để tạo thành fumaric tác dụng fumaratdehydrataza xãy acid L-malic, không xãy D-malic Đặc hiệu đồng phân hình học: Tùy loại, enzyme tác dụng lên loại đồng phân hình học thích hợp Thí dụ fumaratdehydrataza tác dụng lên dạng đồng phân trans mà không tác dụng lên dạng đồng phân cis acid fumric, trung tâm hoạt dộng fumaratdehydrataza có cấu trúc khơng gian tương ứng với đồng phân dạng trans acid fumaric 1.8.2 Đặc hiệu tuyệt đối Là trường hợp mà enzyme có khả tác dụng lên chất định Thí dụ ureaza xúc thủy phân ure mà khơng tác dụng lên tác dụng lên dẫn xuất Trong trường hợp đặc biệt tuyệt đối, cấu trúc trung tâm hoạt động enzyme tương ứng chặt chẽ với chất đến mức có sai khác nhỏ cấu trúc chất đủ làm enzyme không xúc tác 1.8.3 Đặc hiệu tương đối Là trường hợp enzyme có khả tác dụng lên kiểu nối hóa trị hóa học định phân tử chất không phụ thuộc vào chất hóa học cấu tử tham gia tạo thành liên kết Thí dụ lipaza có khả thủy phân tất mối liên kết ester 1.9 Một số enzyme sản xuất rượu bia 1.9.1 Enzyme Amylase (α-amylase) Amylase hệ enzyme phổ biến giới sinh vật Các enzyme thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử nhóm polysaccaride với tham gia nước: R-R’ + H-OH- → R-H + R’OH Có loại enzyme xếp vào hai nhóm: - Endoamylase (enzyme nội bào) - Exoamylase (enzyme ngoại bào) Endoamylase gồm có α-amylase nhóm enzyme khử nhánh Nhóm enzyme khử nhánh chia làm loại: khử trực tiếp Pullulanase (hay α-dextrin 6-glucosidase); khử gián tiếp Transglucosylase (hay oligo-1,6-glucosidase) maylo-1,6-glucosidase Các enzyme thủy phân liên kết bên chuỗi polysaccharide Exoamylase gồm có -amylase -amylase Đây enzyme thủy phân tinh bột từ đầu không khử chuỗi polysaccharide Đặc tính chế tác dụng enzyme amylase: tùy vào loại nguồn khác có thành phần amino acid khác Đặc tính enzyme amylase: - Trọng lượng phân tử α-amylase nấm mốc: 45 000 – 50 000 D - Amylase dễ tan nước, dung dịch muối rượu loãng - Protein α-amylase có tính acid yếu có tính chất globuline - Điểm đẳng điện nằm vùng pH = 4,2 5,7 Cấu tạo: Mỗi loại α-amylase có tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng α-amylase protein giàu tyrosine, tryptophan, acid glutamic aspartic Các acid glutamic aspartic acid chiếm khoảng ¼ tổng lượng amino acid cấu thành nên phân tử enzyme α-amylase có methionine có khoảng – 10 gốc cysteine Là metaloenzyme Mỗi phân tử α-amylase có chứa từ -30 nguyên tử gam Ca/1 mol, khơng -6 ngun tử g/mol Ca tham gia vào hình thành ổn định cấu trúc bậc enzyme, trì hoạt động enzyme Do đó, Ca cịn có vai trị tồn enzyme bị tác động tác nhân gây biến tính enzyme phân giải protein Nếu phân tử amylase bị loại bỏ hết Ca hồn tồn hết khả thủy phân chất Do có hàm lượng Ca phân tử nồng độ Mg2+ cao nên α-amylase bền với nhiệt độ enzyme khác Riêng α-amylase nấm mốc Aspergillus Oryzae có chứa phần phi protein polysaccharide, khơng tham gia vào thành phần trung tâm hoạt động nằm phía phân tử enzyme α-amylase nấm mốc công vào hạt tinh bột bị thương tổn Sản phẩm cuối thủy phân α-amylase nấm mốc glucose maltose 1.9.2 Hệ enzyme Protease Nhóm enzyme Protease (peptit – hydrolase 3,4) xúc tác trình thủy phân liên kết peptit (-CO-NH)n phân tử protein, polypeptit đến sản phẩm cuối acid amine Ngồi nhiều protease có khả thủy phân liên kết este vận chuyển acid amine Hình 1-2 mô hình enzyme protease thủy phân phân tử protein Cấu trúc khơng gian Phân tử papain có dạng hình cầu với kích thước 36x48x36 AO mạch bị gấp thành hai phần riêng biệt khe Trung tâm hoạt động nằm bề mặt khe này, nhóm –SH hoạt động cysteine 25 nằm bên trái khe nhóm histidine 159 nằm bên phải khe Phần xoắn chiếm 20% tồn amino acid có phân tử Hoạt tính papain dựa tâm hoạt động Cys25 His159 Khoảng pH hoạt động papain rộng 3,5 – tùy thuộc vào chất Hình 1-3 Cấu trúc không gian protease Trung tâm hoạt động Tâm hoạt động papain gồm có nhóm –SH cysteine 25 nitrogen bậc histidine 159 Bên cạnh nhóm imidazole His159 liên kết với Asp 175 liên kết hydrogen Vùng tâm hoạt động papain chứa mạch polypeptit với amino acid là: Lys-Asp-Glu-Gly-Ser-Cys-Gly-Ser-Cys Hình 1-4 Trung tâm hoạt động protease CHƯƠNG ỨNG DỤNG ENZYM TRONG SẢN XUẤT RƯỢU 2.1 Sơ lược rượu “Rượu” đồ uống chứa cồn, sản xuất từ q trình lên men, có khơng chưng cất từ tinh bột loại ngũ cốc, dịch đường loại hoa Rượu loại thức uống có từ lâu đời, thưởng thức rượu dịp lễ hội, sinh hoạt văn hóa phần thiếu hầu giới Rượu biết đến, xuất từ thời đồ đá Ở nước phương Đông thời thượng cổ, người dân biết làm rượu: Trung Quốc làm rượu từ ngũ cốc, Nhật làm rượu sake cách 1700 năm,… Hình 2-5 Rượu 10 Cơ chế tác dụng enzyme amylase α-amylase (1,4-α-glucan-glucanhydrolase) có khả phân cách liên kết α-1,4-glucoside nằm phía bên phân tử chất (tinh bột hay glycogen) cách ngẫu nhiên, không theo trật tự Quá trình thủy phân tinh bột α-amylase trình đa giai đoạn: Ở giai đầu (giai đoạn dextrin hóa): số phân tử chất bị thủy phân tạo lượng lớn phân tử α-dextrin Độ nhớt hồ tinh bột giảm nhanh chóng Sang giai đoạn hai (giai đoạn đường hóa): phân tử α-dextrin tiếp tục bị thủy phân tạo tetra-trimaltose không màu với thuốc thử iodine Các chất bị thủy phân chậm α-amylase tạo thành díaccharide cuối mono saccharide Dưới tác dụng α-amylase, amylosepectin bị phân giải nhanh α-amylase khơng cắt liên kết α-1,6-glucoside nên dù có kéo dài thời gian thủy phân sản phẩm sau có khoảng 72% Maltose, 19% Glucose, Dextrin phân tử thấp khoảng 8% isomaltose Sản phẩm α-amylase tạo thành gồm dextrin, đường maltose đường khử Maltotetrose Amylose oligosaccharide Maltotriose 13% Glucose 87% Maltose Malto 19% Glucose Amylosepectin 72% Maltose 8% isomaltose Dextrin phân tử thấp 16 Hình 2-8 Quá trình đường hóa tinh bột Quá trình rượu hóa Nhờ nấm men Saccharomyeces cerevisiae, xem q trình áp dụng enzyme Q trình rượu hóa q trình phức tạp, trải qua nhiều giai đoạn chuyển hóa từ đường thành cồn nhờ tham gia nhiều enzyme khác Điểm khác enzyme amylse chỗ enzyme tham gia q trình rượu hóa nằm tế bào nấm men Việc điều khiển trình chuyển hóa enzyme tế bào thực chất trình trao đổi chất nấm men mơi trường chứa đường Đặc biệt q trình chuyển hóa xảy xen kẽ nhau, hỗ trợ tạo nên q trình chung hài hịa để tạo sản phẩm khơng có nước, rượu mà hỗn hợp sản phẩm gồm nhiều thành phần khác nhau, nhờ mà tạo nên hương vị đặc trưng có giá trị cảm quan riêng cho rượu h) Lọc Là trình phân riêng hỗn hợp không đồng lớp vải bọc, bã giữ lại lớp lọc, dung dịch xuyên qua màng lọc với áp suất dư so với áp suất phía bên vật ngăn Mục đích: làm nâng cao chất lượng sản phẩm Bã hèm lọc đem chế biến, làm thức ăn cho gia súc 17 i) Chưng cất Phân tách hỗn hợp rượu nước có nhiệt độ sơi khác nhằm thu rượu có độ cồn cao Phương pháp tiên hành cách đun sôi hỗ hợp, bay lên dẫn qua ống dẫn làm lạnh cách cho qua bồn nước để ngưng tụ Điều kiện cho trình chưng cất: áp suất thường, rượu sơi bốc 78 oC cịn nước 100 oC Chất lượng rượu truyền thống nhiều tạp chất chất lượng cảm quan sản phẩm ngày nâng cao màu sắc, độ mùi vị 18 CHƯƠNG ỨNG DỤNG ENZYME TRONG SẢN XUẤT BIA 3.1 Tổng quan bia 3.1.1 Khái niệm bia Bia loại nước uống chứa cồn sản xuất từ trình lên men đường lơ lửng mơi trường lỏng khơng chưng cất sau lên men Nói cách khác, bia loại nước giải khát có độ cồn thấp, bọt mịn xốp có hương vị đặc trưng hoa Houblon (hoa bia) Bia sản xuất từ nguyên liệu malt (đại mạch), nấm men, hoa bia nước Về đặc tính cảm quan bia có màu sắc từ vàng đến đen, có mùi thơm hoa bia, số loại bia bật mùi thơm trái mùi dầu chuối, mùi có múi,… 3.1.2 Sơ lược về sự phát triển bia Thời Ai Cập Cổ Đại: bia đồ uống lâu đời mà loài người tạo ra, có niên đại từ thiên niên kỹ thứ TCN ghi chép lại thư tịch cổ Ai Cập Lưỡng Hà 1500 năm TCN, tìm thấy dấu vết sản xuất bia Đan Mạch, nước châu Âu biết đến sản xuất bia từ Họ biết tạo hương cây, cỏ thảo mộc có vị đắng hương thơm Bia với rượu loại thức uống có cồn đời từ sớm, song hành với phát triển, tiến nhân loại Lịch sử bia trãi qua nhiều thăng trầm chịu tác động chế độ trị, tơn giáo, thay đổi qua quốc gia, dân tộc Chính thế, bia số loại thực phẩm phong phú với 180 loại bia 20.000 nhãn hiệu tồn giới Cơng nghiệp bia ngành kinh doanh toàn cầu, bia sử dụng rộng rãi hầu giới sản lượng ngày tăng 3.2 Bia Việt Nam Ở Việt Nam, bia trở thành loại đồ uống quen thuộc sản lượng tiêu thụ ngày tăng Chính sản xuất bia trở thành ngành mũi nhọn nước ta Thành phần và giá trị dinh dưỡng bia Thành phần - Trong bia nước chiếm 80% Bia có độ cồn nhẹ (nồng độ cồn khoảng 3-6%), có bọt mịn xốp, có hương vị thơm ngon đặc trưng 19 - hydratcacbon, 15 base hữu - 13 rượu 33 este - 17 hợp chất cacbonyl, 29 acid hữu cơ, 11 chất khác - Có loại acid amin: valin, phenylalani Giá trị dinh dưỡng Trong bia có chứa số chất dinh dưỡng: + Chất đạm: đạm hòa tan chiếm 8-10% chất tan, bao gồm protein, peptide amino acid + Gluside: glucide tan (70% dextrin, pentosan – sản phẩm caramel hóa) + Vitamin: chủ yếu nhóm B (các vitamin B1, B2, PP) + Lupulin bia hoa houblon có tính an thần, dễ ngủ + Đặc biệt CO2 hịa tan bia có tác dụng làm giảm nhanh khát cho người uống bia, giúp tiêu hóa nhanh thức ăn giúp ngon miệng, giảm mệt mỏi người uống sử dụng lượng vừa phải, thích hợp 3.3 Nguồn nguyên liệu và quy trình sản xuất bia 3.3.1 Nguyên liệu sản xuất bia - Malt (đại mạch) - Hoa houblon (hoa bia) - Nấm men bia (yeast) - Nước - Phụ gia - Nguyên liệu thay Theo quy định luật Reinheitsgebot nguyên liệu dùng sản xuất bia nước Đức bao gồm nước, mạch nha (đại mạch tiểu mạch ương mầm) hoa bia, nấm men (được bổ sung vào năm 1857) Luật áp dung Đức quốc gia khác ngun liệu sản xuất bia cịn có thêm loại liệu khác nha gạo, lúa mì, tinh bột ngơ, sắn, đường,… Cùng với ngun liệu ngành sản xuất bia ngày cịn sử dụng nhiều phụ liệu, chất hỗ trợ sản xuất loại enzym, khoáng chất,… để nâng cao hiệu sản xuất Các chất hỗ trợ sản xuất khắc phục biến động chất lượng Malt, Hoa bia, nước, nấm men 3.3.2 Quy trình sản xuất bia 20 Sản xuất bia bắt đầu cách 9.000 năm, số nghiên cứu khảo cổ khác lại cho bia phát minh 28.000 năm Ai Cập cổ đại Quá trình sản xuất bia kết hợp q trình cơng nghệ sinh hóa khác nhau: Quá trình nẩy mầm: hình thành enzym hạt đại mạch chuyển hóa phần hợp chất cao phân tử thành hợp chất đơn giản • Q trình đường hóa: enzym thực q trình thủy phân để chuyển hóa tinh bột thành đường, protein thành axit amin,… • Q trình lên men: đường nấm men chuyển hóa thành cồn, CO2, hợp chất phụ khác • Các q trình cơng nghệ cơng đoạn sản xuất bia, trì hàng ngàn năm qua Sự tiến hóa ngành bia chủ yếu tập trung vào phát minh việc sử dụng Hoa Bia, phân lập định danh nấm men, hệ thống làm lạnh, đun nóng q trình sản xuất 21 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất bia Gạo Malt Nghiền Xay Hồ Trộn ủ Nước Đường hóa (Thơng số nhiệt độ theo giản đồ nấu) Lọc rưa bã lần, 76oC Hoa houblon 100oC Bã hèm Bồn nấu hoa 100oC Dịch đường Bồn xoáy Cặn Làm lạnh Dịch Thu hồi Men 7-9 oC Khí Lên men Sản phẩm Ủ bia Đóng chai Lam Lọc bia 22 3.3.3 Thuyết minh quy trình Nhập malt Malt đưa nhà máy đưa vào hồ chứa Malt sau theo băng tải đưa qua sàng trống, để loại bỏ bớt tạp chất, Malt sau qua sàng trống đưa vào nam châm điện để loại bỏ kim loại lẫn Malt, sau qua nam châm điện, Malt đưa vào cân để xác định khối lượng Malt, sau theo gàu tải xuống băng tải, vào xilo chứa Malt Và cuôi Malt đưa vào chứa bồn chứa Malt để chuẩn bị cho trình nấu bia (Gạo nhà máy thu mua chứa xilo) Nghiền Malt gạo bồn chứa loại bỏ tạp chất kim loại,… đưa vào nhà máy xay, nghiền nhỏ malt để tăng bề mặt tiếp xúc với nước, cơng đoạn nhằm mục đích phá vỡ cấu trúc tinh bột, tăng khả thủy phân tinh bột, tạo điều kiện thuận lợi thúc đẩy q trình sinh, lý, hóa xảy ngun liệu nấu, nhằm thu dịch đường có nồng độ chất cao nhất, mức độ vỡ hạt gạo malt ảnh hưởng quan trọng đến dịch đường sau này, kết thúc trình nghiền malt ta thu phần gồm: vỏ trấu, thô nhuyễn, vỏ trấu giữ lại thứ bột trợ lọc trình lọc lấy dịch đường, gạo phải xay mịn malt, khơng nên xay malt trước thời gian dài hạt malt dễ hút ẩm Đường hóa và lọc đường hóa - Đường hóa q trình chuyển tối đa chất khơng hịa tan dự trữ tong malt, thơng qua hệ thống enzyme (amylaza,proteaza) có sẵn hạt malt đường thủy phân - Mục đích q trình đường hóa: Là chiết tối đa chất hịa tan ngun liệu thủy phân chất có phân tử lượng cao, tạo thành chất đơn gian hòa tan với nươc tạo thành dịch đường hóa - Trong giai đoạn xảy thủy phân protein tác động enzyme proteaza diễn theo trình tự sau: Protein → albumose → polypeptide → peptone và acid amin Quá trình thủy phân có ý nghĩa vơ qua trọng công nghệ sản xuất bia Sự thủy phân protein malt bắt đầu lúc ươm mầm, trình đương hóa malt q trình lại tiếp tục Xúc tác cho thủy phân protein hai 23 thành phần chủ yếu protease, proteinase peptidase Sau trình đạm hóa chuyển sang cơng đoạn hội cháo từ nồi gạo sang nồi malt Quá trình nấu bia bắt đầu việc nguyên vật liệu (malt, dạng liệu khác) nghiền nhuyễn Các nhiều loại thiết bị nghiền khác nghiền khô, nghiền ẩm, nghiền ướt,… Mục đích việc nghiền làm vỡ nội nhũ hạt thành bột để q trình hịa tan dễ dàng Bột nguyên liệu hòa với nước nhiệt độ từ 40 – 65oC tùy thuộc vào loại bia Q trình đường hóa sử dụng nóng để nâng nhiệt lên điểm dừng để thực q trình cơng nghệ Tùy theo kích thước nồi nấu mà mức tiêu thụ nhiệt có thay đổi Hiện nay, hầu hết hệ thống nấu sử dụng nóng bão hịa có áp suất khoảng 3,5bar để gia nhiệt nồi nấu Các hợp chất cao phân tử chuyển hóa thành chất tan hịa vào dịch nha Vỏ trấu chất không tan tách khỏi thiết bị lọc dịch hèm (có thể máy lọc khung thiết bị lọc nồi) Dịch nha (hay dịch đường ngọt) tiếp tục công đoạn đun sơi Sự đường hóa biến đổi tinh bột dịch hóa thành dextrin maltoza, xảy dịch hóa xong Sự đường hóa xảy tác động enzyme: + α-Amilasa → dextrin hóa + β-Amilasa → dextrin mantoza hóa - Mỗi loại enzyme có nhiệt độ tối thích nghi gọi topt: + β-Amilasa dễ bị biến tính nhiệt độ lớn 70O + α-Amilasa chịu nhiệt độ cao hơn, nhiệt dộ lớn 80O + β-amilaza t0opt: 60-65 oC; pHopt= 5,4 + α-amilaza t0opt: 70-75 oC; pHopt= 5,8 - Giai đoạn Đạm hóa: + Có nhiều enzyme đạm hóa malt, ta chia làm loại protease peptidasa Nhiệt độ thích nghi lúc nấu 43-500 oC (gọi nhiệt độ đạm hóa, pecton hóa) + Hệ enzyme protease cho vào sau cho malt vào thùng đạm hóa nhiệt độ nần từ 30 oC lên khoảng 52 oC, lúc hệ enzyme protease bắt đầu hoạt 24 động, nhiệt độ khoảng 1h Đây nhiệt độ tối ưu cho hoạt động protease để tạo sản phẩm polypeptie acid amin Lọc rửa bã Rửa bã nước nóng 76 oC lần Bảo đảm lượng nước dịch đường Rửa đến nồng độ chất hòa tan nước rửa bã cịn 0,3-0,5% ngưng Q trình lọc nước malt – rửa bã chia làm giai đoạn: + Giai đoạn – lọc dịch dầu + Giai đoạn – rửa bã Nấu hoa Tại bồn nấu dịch đương đun sôi với hoa Houblon (nhiệt độ 100 C, vòng giờ), chất đắng, tinh dầu thơm, polyphenol thành phần hoa hòa tan vào dịch đường tạo cho bia có vị đắng, mùi thơm đặc trưng hoa houblon khả giữ bọt cho bia o Trong trình đun sơi hoa houblon có nhiều q trình hóa lý quan trọng xảy ra, định chất lượng bia thành phẩm Nồi đun sơi dịch pha có nhiều thiết kế khác nhau, nồi đun sôi dịch nha thiết kế sử dụng nước bão hòa để gia nhiệt Tỷ lệ bay dịch nha vào khoảng 4,5 – 10% thể tích ban đầu Tiêu tốn nhiệt q trình đun sơi chiếm khoảng 30% tổng lượng nhiệt cung cấp cho nhà máy bia Và nơi tiêu thụ nhiệt cao Ước lượng tỷ lệ sử dụng nhiệt phận nhà máy: Lọc bã hoa Mục đích: Nhằm tách phần lỏng khỏi dịch cháo malt để thu hồi nước malt Thành phần chủ yếu phần lỏng nước chất hòa tan Yêu cầu kỹ thuật: Dịch ép phải nhiệt độ lọc : 70 oC Lắng và Làm lạnh nhanh Dịch nha sau q trình đun sơi hình thành nhiều cặn nóng có cánh hoa houblon Nồi lắng xốy thiết kế có dạng đáy phẳng sử dụng “hiệu ứng trà” Einstein phát để tách cặn khỏi dịch nha Dịch nha sau lắng qua trình giải nhiệt nhanh để hạ nhiệt độ từ ~100oC nhiệt độ lên 25 men Nước ban đầu hạ nhiệt từ nhiệt độ môi trường (~30oC) 2oC Nước 2oC trao đổi nhiệt với dịch nha thiết bị trao đổi nhiệt khung bản, nhiệt độ nước sau trao đổi nhiệt đạt > 80oC Nước nóng sau đưa bồn nước nóng để sử dụng cho mục đích khác nhà nấu Hầu toàn nhiệt lượng nằng dịch nha thu hồi thông qua hệ thống làm lạnh nhanh Nước 2oC sản xuất cách trao đổi nhiệt với glycol Như vậy, điện nguồn lượng để sản xuất nước 2oC Mục đích: + Tránh xâm nhập phát triển vi sinh vật bên + Đảm bảo hòa tan oxy cần thiết cho men phát triển giai đoạn trước lên men + Đảm bảo lắng cặn làm dịch đường Như vậy, mục đích trình lắng – làm lạnh giảm nhiệt độ dinh dưỡng xuống cho nấm men phát triển, tách loại cặn abnar khỏi dịch bão hịa CO2 Nhân giớng nấm men Cần bổ sung Zn N Môi trường giống khởi động giống mơi trường lên men tốt Sục khí lắc đóng vai trị quan trọng Cấy giớng Tỉ lệ cấy giống tối ưu 6-10.106 tế bào/ml men nổi; 10-14.106 tế bào/ml men chìm Dịch đường đậm đặc tỉ lệ cấy giống phải cao Cấy giống (giai đoạn ủ bia): Giai đoạn diễn bồn ủ bia, bồn ủ lúc chất cặn men dư thừa lắng đọng xuống đáy bồn lúc bia chứa đầy khí CO2 tự nhiên Giai đoạn thực môi trường nhiệt độ từ 0-2 oC thường kéo dài từ đến tuần Lúc bia chín hồn tồn vị ngon bia đạt đến mức độ cao Như trình sản xuất bia từ lúc bắt đầu đến bia thành phẩm kéo dài tối thiểu khoảng 30 ngày Lên men Dịch nha sau làm lạnh, cấy men, sục khí đưa vào tank lên men Tại đây, nấm men chuyển hóa đường thành khí CO2 cồn Bên cạnh đó, nấm men tạo vô số hợp chất tạo mùi thơm cho bia Quá trình lên men trình tỏ nhiệt Nên glycol phải cấp liên tục để trì nhiệt độ ổ định trình lên men Theo tác giả Kunze 1kg chất tan lên men tỏa 587KJ 26 Q trình lên men tạo nhiều loại hợp chất phụ có hợp chất không mong muốn Aldehyde, high Alcohol, diacetyl,… Bia sau qua q trình khử (loại bỏ) hợp chất – trình ủ chín bia nhằm làm giảm hợp chất giá trị mong muốn Cuối cùng, bia hạ nhiệt < 0oC để đưa trình tàng trữ Tại đây, loại cặn dần lắng xuống đáy bồn lên men, bia trở nên hơn, bão hòa CO2 tốt Q trình lên men thường xảy nhiệt độ 6-8oC thời gian 7-12 ngày bia vàng, khoảng 12-18 ngày bia đen Tồn lượng sử dụng q trình lên men nhiệt lạnh, cung cấp hệ thống sản xuất lạnh – glycol sử dụng điện Mục đích: Chuyển hóa chất hịa tan dung dịch đường thành C2H5OH, CO2 sản phẩm phụ khác tạo thành bia theo yêu cầu kỹ thuật chất lượng thành phẩm Quá trình lên men phụ Quá trình lên men phụ trình phản ứng enzyme phi enzyme diễn dẫn đến ổn định chất lượng bia, hợp chất tạo hương quan trọng hình thành diacetyl bị phân hủy xuống tới mức quy định 0,2 ml/l tiêu định thời gian lên men phụ Bão hòa bia CO2 để tăng vị khả tạo bọt, ức chế phát triển vi sinh vật có hại Tiến hành: Sau tách men hạ nhiệt độ dịch xuống 0-1 oC, trì áp suất 0,9-1,2 mg/cm2, ngưng thu hồi CO2 trình lên men phụ diễn 15 ngày Kết thúc trình lên men phụ nồng độ đường lại cỡ 1,9o tách nốt phần nấm men lại Bia sau lên men bơm qua thiết bị lọc Mục đích q trình lên men phụ: Tiếp tục lên men phần chất khơ cịn xót lại sau lên men chính, bão hịa CO2 tăng cường mùi vị cho bia, thực trình ủ chín bia (ổn định chất lượng bia), làm bia, đưa bia nhiệt độ thấp để hạn chế xâm nhập phá hủy vi sinh vật Thời gian lên men phụ: 15-35 ngày Lọc bia Là trình làm dịch bia trình tách cặn khỏi bia, làm cho bia có độ sáng yêu cầu chất lượng Tách triệt dể phân tử lắng rắn, khuyếch tán bia Làm ổn định, gia tăng độ bền vững sinh học cho bia 27 Lọc loại bỏ hầu hết vi sinh vật kể nấm men Bởi sau lên men phụ tồn gây đục cho bia Để trình lọc hiệu bia cần hạ nhiệt -1 – 0oC để hình thành cặn lạnh Đây dạng phức chất protein-polyphenol, sau loại khỏi bia Lọc bia quy trình khơng bắt buộc tất loại bia Các dịng bia lên men chìm (Lager bia, bia sáng màu, ) yêu cầu lọc sau q trình ủ chín tàng trữ Sự có mặt tế bào nấm men, chất keo tụ khác lơ lững (như protein-polyphenol) không làm bia thơm ngon vốn có nó, trình lọc làm cho bia trở nên bắt mắt Tuy nhiên, dòng bia lên men (Ale), bia sẫm màu khơng u cầu q trình lọc trình làm giảm mùi thơm đặc trưng bia (đối với bia Ale), không cần thiết (đối với bia sẫm màu) Đối với, bia cơng nghiệp q trình lọc bia thơng thường kèm theo q trình ch̉n hóa độ chất lượng ổn định bia cách sử dụng • Nước khử khí để điều chỉnh nồng độ • Iso alpha axit để điều chỉnh độ đắng • Caramel để điều chỉnh độ màu • Cao malt (Malt extract) để điều chỉnh vị • Tinh dầu hoa bia chế phẩm hương từ hoa bia để điều chỉnh mùi, hương • Metabisulphite, Ascorbic axit (vitamin C) để chống oxy hóa • Sử dụng PVPP để hấp thu polyphenol • Sử dụng Silicagel, tannic axit, enzym papain… để phân cắt, hấp thu protein Có nhiều phương pháp lọc bia khác nguyên tắc chung cho bia qua màng lọc để giữ lại toàn hạt cặn nhỏ li ti Bão hòa CO2 Trong thức tế sản xuất, bão hòa CO2 theo phương pháp tự nhiên lại đạt đến nồng độ cần thiết (đặc biệt bia đóng chai chất lượng cao) Vì vậy, việc bão hịa bổ sung CO2 cho bia cơng việc khơng thể bỏ qua Nếu bia không bổ sung CO2 khơng đảm bảo chất lượng cho bia Ở nhà máy, bổ sung CO2 trực tiếp từ bình thu hồi CO2 Bia cacbonic hóa thời điểm 28 khác nhau: Sau lên men chính, sau thời gian lên men phụ tàn trữ,… Nhưng có lẽ phổ biến gấp rút sau lọc trước đóng chai Đóng chai Chai cũ Tháo kiện Rưa chai Kiểm tra Thanh trùng Kiểm tra mức bia Đóng nắp Chiết chai Dán nhãn Vơ thùng Đóng code Đóng kiện Sản phẩm Chiết lon Lon Kiể m tra FHI Đóng code Máy vô trùng Máy tháo kiện Kiể m tra FHI Kiểm tra mực bìa Cân kiểm tra Kiểm tra Thanh trùng Đóng thùng Máy chiết lon Đóng nắp Thành phẩm Thanh trùng Bia sau đóng chai hộp phải trùng Mục đích q trình diệt tế bào men vi sinh vật chai, lon đảm bảo thời gian quy định Yêu cầu: Bia hấp xong phải có độ hấp tốt, chai bia phải kín bóng 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Công nghệ lên men ứng dụng công nghệ thực phẩm, Bùi Ái [2] Công nghệ lên men, PSG-TS Lương Đức Phẩm [3] Hóa sinh học, Phan Thị Trân Châu [4] https://www.slideshare.net/hieunguyeniu/enzyme-hoc, truy cập ngày 3/1/2019 [5] http://www.timtailieu.vn/tai-lieu/enzyme-va-su-xuc-tac-sinh-hoc-32515/, truy cập ngày 3/1/2019 [6] http://luanvan.net.vn/luan-van/do-an-khao-sat-anh-huong-cua-viec-su-dung-chepham-enzyme-amylase-den-toc-do-thuy-phan-tinh-bot-trong-qua-trinh-len-men21879/, truy cập ngày 3/1/2019 [7] https://vi.scribd.com/document/395733275/C%C6%A1-ch%E1%BA%BF-xuctac-va-%E1%BB%A9ng-d%E1%BB%A5ng-c%E1%BB%A7a-enzym-protease, truy cập ngày 3/1/2019 [8] https://vi.scribd.com/document/98950099/CONG-NGH%E1%BB%86-S %E1%BA%A2N-XU%E1%BA%A4T-BIA, truy cập ngày 3/1/2019 [9] http://doc.edu.vn/tai-lieu/luan-van-nghien-cuu-ung-dung-enzyme-amylasetrong-san-xuat-ruou-nep-trang-10690/, truy cập ngày 3/1/2019 30 ... hợp mà enzyme có khả tác dụng lên chất định Thí dụ ureaza xúc thủy phân ure mà không tác dụng lên tác dụng lên dẫn xuất Trong trường hợp đặc biệt tuyệt đối, cấu trúc trung tâm hoạt động enzyme. .. ngành sản xuất bia ngày sử dụng nhiều phụ liệu, chất hỗ trợ sản xuất loại enzym, khoáng chất,… để nâng cao hiệu sản xuất Các chất hỗ trợ sản xuất khắc phục biến động chất lượng Malt, Hoa bia, ... Dưới tác dụng enzyme, chất biến đổi thành sản phẩm ● Sau tạo sản phẩm (P), enzyme giải phóng trở lại trạng thái ban đầu ● Phản ứng tổng quát: E + S → ES → ES2 → EP → E + P 1.6 Cơ chế xúc tác enzyme