Enzyme amylase, enzyme protease và ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Enzyme amylase, enzyme protease và ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài: Enzyme amylase, enzyme protease và ứng

dụng trong công nghệ thực phẩm

GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang Nhóm 4, TKB: Thứ 7, tiết 1;2 TPHCM, Ngày 16 tháng 3 năm 2014

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Công nghệ sinh học, các chế phẩm enzyme được sản xuất càng nhiều và được sử dụng hầu hết trong các lĩnh vực như: chế biến thực phẩm, nông nghiệp, chăn nuôi, y tế Hàng năm lượng enzyme được sản xuất trên thế giới đạt khoảng trên 300.000 tấn với giá trị trên 500 triệu USD, được phân phối trong các lĩnh vực khác nhau.

Phần lớn enzyme được sản xuất ở các quy mô công nghiệp đều thuộc loại enzyme đơn cấu tử, xác tác cho phản ứng phân hủy Khoảng 75% chế phẩm là enzyme thủy phân được sử dụng cho việc thủy phân cơ chất

tự nhiên

Enzyme amylase hay còn được gọi với tên khác là Diatase là một enzyme không những có ý nghĩa về mặt sinh lý, thương mại và còn có ý nghĩa khá quan trọng trong công nghiệp nói chung và công nghiệp thực phẩm nói riêng

Protease là enzyme được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong một số ngành sản xuất như: chế biến thực phẩm ( đông tụ sữa làm pho mát, làm mềm thịt, bổ sung để làm tăng chất lượng sản phẩm trong sản xuất bia,

xử lý phế phụ phẩm trong chế biến thực phẩm ) , sản xuất chất tẩy rửa, thuộc da, y tế, nông nghiệp,

Tóm lại, cả hai enzyme amylase và enzyme protease có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống con người và chúng đóng một vai trò hết sức

to lớn trong công nghiệp thực phẩm như sản xuất bánh mì, rượu, bia, mì chính,

PHẦN 1: ENZYME AMYLASE VÀ ỨNG DỤNG CỦA

ENZYME AMYLASE TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM.

I Enzyme amylase

Enzyme amylase là một hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật, cácenzyme thuộc nhóm enzyme thủy phân xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trongnhóm polysaccharide với sự tham gia của nước

R-R’ + H-OH = R-H + R’-OH

Hình 1: Enzyme amylase

1.Phân loại:

Có 6 loại được xếp vào 2 nhóm:

 endoamylase: gồm có α-amylase và nhóm enzyme khử nhánh.Nhóm enzyme khử nhánh gồm:

Khử trực tiếp: Pullulanase hay α-dextrin 6-glucosidase

Khử gián tiếp: Transglucosylase hay olygo-1,6-glucosidase và 1,6-glucosidase

maylo- exoamylase: Gồm có beeta amylase và gama amylase Đây lànhững enzyme thủy phân tinh bột

2.Đ

ặc tính của enzyme amylase:

Tính chất vật lý:

Hình 1 Enzyme amylase

- Trọng lượng phân tử của α- amylase nấm mốc : 45.000-50.000D

- Amylase dễ tan trong nước, trong dung dịch muối và rượu loãng

- Protein của các α-amylase có tính acid yếu và có tính chất củaglobuline

- Điểm đẳng điện nằm trong vùng pH=4,2-5,7

Cấu tạo:

- Mỗi loại α-amylase có một tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng

α- amylase là một protein giàu trytosine, tryptophan, acid glutamic vàaspartic Các glutamic acid và aspartic acid chiếm khoảng ¼ tổng lượngamino acid cấu thành nên phân tử enzyme

- α amylase có ít methionine và có khoảng 7-10 gốc cysteine

- α amylase là một metaloenzyme Mỗi phân tử α -amylase đều có chứa

từ 1 đến 30 nguyên tử gam Ca/ 1 mol, nhưng không ít hơn 1-6 nguyên tửgam/ mol Ca tham gia vào sự hình thành và ổn định cấu trúc bậc 3 củaenzyme, duy trì hoạt động của enzyme Do đó Ca có vai trò duy trì sự tồn tạicủa enzyme khi bị tác động bởi các tác nhân gây biến tính và các enzymephân giải protein Nếu phân tử amylase bị loại bỏ hết Ca thì nó hoàn toànmất hết khả năng cơ chất

- Do có hàm lượng Ca trong phân tử và nồng độ Mg2+ cao nên amylase bền với nhiệt độ hơn các enzyme khác

α Tất cả các amylase đều bị kiềm hãm bởi các kim loại nặng như: Cu2+,

Ag+, Hg2+ Một số kim loại như Li+, Na+, Cr3+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Sn2+, không

có ảnh hưởng mấy đến enzyme α- amylase

- Riêng α-amylase của Asp.Oryzae ( thuộc chủng nấm mốc AspergilluOryzae) có chứa phần phi protein là polysaccharide nhưng nó không thamgia vào thành phần của trung tâm hoạt động và nằm trong phân tử enzyme

- α-amylase của nấm mốc hầu như chỉ tấn công vào những hạt tinh bột

bị tổn thương Sản phẩm cuối cùng của thủy phân α-amylase nấm mốc làglucose và maltose

- α- amylase của nấm sợi không tấn công vào liên kết 1,6 glucoside củaamylopectin nên khi thủy phân thành các dextrin tới hạn phân nhánh Đây làmột cấu trúc phân tử tinh bột do enzyme α-amylase phân cắt tạo thành cácdextrin tới hạn phân nhánh Sản phâm thủy phân cuối cùng của thủy phân α-amylase nấm sợi là maltose và maltotriose

3.Cơ chế tác dụng của enzyme α-amylaseamylase

α- amylase (1,4 –glucan-glucanhydrolaseamylase amylase (1,4 –glucan-glucanhydrolase(1,4 amylase (1,4 –glucan-glucanhydrolase–glucan-glucanhydrolase

amylase (1,4 –glucan-glucanhydrolase amylase (1,4 –glucan-glucanhydrolase) amylase (1,4 –glucan-glucanhydrolase amylase (1,4 –glucan-glucanhydrolase

α- amylase có khả năng phân cách các liên kết α-1,4 glusoside nằm ởphía bên trong phân tử cơ chất (tinh bột hay glycogen) một cách ngẫu nhiên

không theo một trật tự nào cả Quá trình thủy phân tinh bột bởi α- amylase làmột quá trình đa giai đoạn:

Ở giai đoạn đầu ( giai đoạn dextrin hóa) :chỉ một số phân tử cơ chất bịthủy phân tạo ra một lượng lớn phân tử α-dextrin Độ nhớt của hồ tinh bộtgiảm nhanh chóng

Sang giai đoạn thứ hai ( giai đoạn đường hóa ): các phân tử α dextrintiếp tục bị thủy phân tạo ra các tetra-trimaltose không màu với thuốc thửiodine các chất này bị thủy phân rất chậm bởi α-amylase cho đến khi tạothành các disaccharide và cuối cùng là monosaccharide

Tóm lại dưới tác dụng của α- amylase tinh bột có thể chuyển thànhglucose, maltose, maltotetrose, dextrin phân tử thấp Tuy nhiên thôngthường α-amylase chỉ thủy phân tinh bột thành chủ yếu là dextrin phân tửthấp, và một ít maltose Khả năng dextrin hóa cao là một đặc trưng cơ bảncủa α- amylase do vậy người ta gọi α-amylase là amylase dextrin hóa hayamylase dịch hóa

β-amylase amylase (1,4 –glucan-glucanhydrolase( amylase (1,4 –glucan-glucanhydrolaseanpha-1,4glucan-mantohydrolase amylase (1,4 –glucan-glucanhydrolase3.2.1.2)

Amylase xúc tác sự thủy phân các liên kết α-1,4glucan trong tinh bộtglucogen và các polisaccharit đồng loại phân cắt tuần tự gốc maltose một từđầu không khử của mạch Maltose tạo thành có cấu hình β, vì thế amylasenày được gọi là β-amylase Tác dụng của β- amylase lên tinh bột có thể biểudiễn theo sơ đồ sau

Tinh bột =>54-58%maltose +42-46% dextrin

(glycogen)

Nếu cho cả β- amylase và α- amylase cùng đồng thời tác dụng lên tinhbột thì tinh bột bị phân hủy tới 95%

Glucoamylase amylase (1,4 –glucan-glucanhydrolase(α-1,4glucan-glucohydrolase3.2.1.3)

Glucoamylase thủy phân liên kết α-1,4 glucan trong polisaccharit táchtuần tự gốc glucose một khỏi đầu không khử của mạch Glucoamylase cókhả năng xúc tác liên kết α-1,4 lẫn α-1,6 glucan Glucoamylase là

exoenzyme nó thủy phân polisaccharide từ đầu không khử để tạo glucose.Khi thủy phân tinh bột cùng với glucose còn có thể tạo thành cácoligosaccharide Ngoài các liên kết α-1,4 và α-1,6 glucoside glucoamylasecòn có khả năng thủy phân các liên kết α- 1,2 và α-1,3 glucoside

Glucoamylase có khả năng thủy phân hoàn toàn tinh bột , glycogen,amylopectin, dextrin, isomaltose, và maltose tới glucose Các cơ chất cấu tạophân nhánh ( amylopectin, glycogen, β-dextrin) bị glucoamylase tấn côngvới vận tốc khá lớn So với tốc độ thủy phân các cơ chất khác nhau bằngglucoamylase tinh thể cho thấy rằng các polisaccharit phân tử lớn hơn thì bịthủy phân nhanh hơn là các phân tử thấp

II Một số ứng dụng của enzyme amylase trong công nghệ thực phẩm

Hiện nay việc chế phẩm enzyme các loại đã và đang phát triển mạnh

mẽ trên qui mô công nghiệp Chế phẩm enzyme không chỉ được ứng dụngtrong y học, đời sống,… mà còn ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực khác ,trong nông nghiệp, trong hóa học, trong công nghiệp thực phẩm…

Theo thời gian, enzyme càng ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổbiến mà phải kể đến là protease, cellulose, ligase, amylase,… Và enzymeđươc ứng dụng phổ biến đó là amylase, có rất nhiều ứng dụng của enzymeamylase trong nhiều lĩnh vực khác nhau mà đáng kể nhất là trong côngnghiệp thực phẩm:

- Trong y học và dược phẩm: thuốc, hóa chất chứa hoạt tính enzyme amylase

và amylase được sử dụng để chuẩn đoán viêm tụy cấp

- trong công nghiệp: amylase được ứng dụng trong sản xuất chất tẩy rửa vàcòn được ứng dụng trong công nghiệp dệt

- Trong công nghiệp thực phẩm: amylase được ứng dụng trong sản xuất nhiềusản phẩm khá quen thuộc như mì chính, bia, cồn, siro, bánh mi, bánh kẹo…

1 Ứng dụng enzyme amylase trong sản xuất mì chính

Hình 2 Mì Chính

- Amylase được sử dụng trong giai đoạn thủy phân tinh bột

- Mục đích: tạo điều kiện để thực hiện các phản ứng thủy phân tinh bột thànhđường lên men được chủ yếu là đường glucose

- Enzyme thường dung: enzyme α- amylase, γ – amylase

2 Ứng dụng enzyme amylase trong sản xuất bia

Trong công nghệ sản xuất bia truyền thống, các nước phương Tây chủChủ yếu sử dụng enzyme zmylase của malt để thủy phân tinh bột trong malt,sau đó đến giai đoạn rượu hóa bởi nấm men Saccharomyces sp Cơ sở khoahọc của việc sử dụng malt là khi đại mạch chuyển từ trạng thái nảy mầm(malt), enzyme amylase sẽ được tổng hợp và enzyme này sẽ thủy phân tinhbột có trong hạt tạo ra năng lượng và vật chất cho sự nảy mầm Như vậyviệc đường hóa tinh bột nhờ enzyme của chính nó Như thế rất cần nhiềumầm đại mạch để sản xuất bia ở quy mô lớn

2.1 Nguồn enzyme thường sử dụng:

Hình 3 Enzyme amylase để sản xuất bia

- Trong công nghệ sản xuất bia, người ta thường dùng amylase có trong mầmđại mạch Ngoài ra, còn sử dụng enzyme khác có trong mầm đại mạch đểthủy phân và chuyển hóa chất không tan khác sang trạng thái tan nhưprotein, cellulose … sang amino acid và glucose Người ta sử dụng chếphẩm enzyme cellulose có tác dụng phá vỡ thành tế bào, tạo điều kiện để cácthành phần có trong tế bào hạt thoát ra ngoài nhờ đó chất lượng bia đượcnâng cao hơn Một loại enzyme khác cũng được sử dụng đó là glucoseamylase được sử dụng để loại trừ O2 có trong bia, giúp quá trình bảo quảnbia kéo dài hơn rất nhiều.

- So với enzyme amylase từ các nguồn khác thì enzyme từ thóc đại mạch đãđược nảy mầm được sử dụng với số lượng nhiều nhất hiện nay

- Quá trình hạt nảy mầm là quá trình sinh enzyme amylase và nhiều enzymehóa

II.2 Sự tham gia của enzyme amylase trong công nghệ sản xuất bia:

- Enzyme amylase tác động vào giai đoạn đường hóa : biến đổi tinh bột thànhcác dextrin và maltose

- Quá trình nảy mầm xảy ra trong giai đoạn nấu bia Trong quá trình này, maltsau khi được nghiền sẽ hòa tan chung với nước theo một tỷ lệ thích hợp dướitác dụng của các enzyme ở nhiệt độ nhất định sẽ được đường hóa trong nồinấu malt

- Trong giai đoạn lên men tiếp theo, các chất đường, dextrin có phân tử thấp

sẽ được chuyển hóa thành rượu etylic,CO2 và một số sản phẩm phụ khác tạothành bia theo yêu cầu kỹ thuật và chất lượng sản phẩm

3 Ứng dụng enzyme amylase trong sản xuất cồn

Hình 4 : Cồn

3.1 Nguyên liệu:

- Nguyên liệu sản xuất cồn là nguồn tinh bột Tuy nhiên, ở mỗi nước sử dụngnguồn nguyên liệu khác nhau : ở Mỹ người ta sử dụng từ bột ngô để sản xuấtcồn, ở Brazil sử dụng khoai mì, các nước khác sử dụng gạo hoặc tấm từ gạo.Nguyên liệu chủ yếu mà nhà máy rượu nước ta thường sử dụng đó là sắn,sau đó là ngô và một phần gạo hoặc tấm

3.1Sự tham gia của enzyme amylase trong sản xuất cồn:

- Enzyme sử dụng: α –amylase và β- amylase

- Trước đây người ta dùng enzyme amyase của malt, nhưng ngày nay đã thaythế bằng Enzyme amylase của nấm sợi

- Trong sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột, Enzyme amylase được sửdụng ở các giai đoạn đường hóa:

- Chuyển hóa tinh bột bằng α- amylase để tạo thành dextrin

- Chuyển hóa dextrin bằng β – amylase hay amyloglucosidase để tạo ra đường

có khả năng lên men

- Quá trình đường hóa đóng vai trò quyết định đến khả năng lên men và hiệusuất cồn thu được Các chế phẩm enzyme được sử dụng trong sản xuất cồn

là những chế phẩm thô, các chế phẩm đậm đặc và tinh khiết Chủ yếu là sửdụng chế phẩm dạng thô vì tính chất kinh tế

- Vì sử dụng chế phẩm dạng thô nên trước khi đường hóa phải xác định hoạttính Enzyme của từng loại Enzyme từ đó điều chỉnh hoạt động của chúng

- Trong giai đoạn đường hóa dịch đường hóa nấm men, enzyme amylase thamgia thực hiện các phản ứng sinh hóa cần thiết và quyết định đến hiệu suấtsản xuất cồn Còn enzyme β – amylase tham gia những biền đổi cơ bản cơchất để tăng cường quá trình chuyển hóa cơ bản

- Khi thủy phân tinh bột enzyme α- amylase tác động vào liên kết α-1,4glucoside và sản phẩm tạo ra là maltose và dextrin mà mạch của chúng gầnbằng C6

- Enzyme α- amylase của vi khuẩn thủy phân tinh bột tạo ra lượng glucose vàmaltose theo 1:3,79 Enzyme α- amylase của vi khuẩn và nấm sợi đều không

có khả năng phân giải α- 1,6 glucoside của cơ chất

 Như vậy, vai trò cơ bản của α-amylase trong sản xuất rượu, cồn là làm dịchhóa nhanh ở giai đoạn nấu và cả ở giai đoạn đầu của sự đường hóa, dextrinhóa và tích tụ đường

4 Ứng dụng trong sản xuất siro

4.1Nguyên liệu :

Ngoài tinh bột bắp người ta còn sử dụng tinh bột khoai tây, tinh bột mì, tinhbột sắn Tùy theo nguồn nguyên liệu mà người ta áp dụng kĩ thuật khác nhaucho phù hợp

4.2 Sự tham gia của enzyme amylase:

Enzyme amylase chỉ được sử dụng sau khi tinh bột hòa vào nước

Theo công nghệ trên, dung dịch bắp được điều chỉnh pH=6 và được hồ hóa ởnhiệt độ cao và được thực hiện theo phương pháp liên tục.Ở giai đoạn nàyngười ta cho một lượng nhỏ α- amylase để dịch tinh bột có độ nhớt thấp,tránh hiện tượng cháy khét

Tiếp theo người ta cho lượng enzyme còn lại vào

Enzyme được sử dụng trong công nghệ sản xuất siro fructose phải là nhữngenzyme chịu nhiệt

Đặc điểm quan trọng nhất của enzyme amylase là chúng hoạt động ở pH gầntrung tính (pH=6).Đặc điểm này giúp ta thực hiện quá trình đường hóa dễdàng

Hình 5: Siro

5 Ứng dụng enzyme amylase trong sản xuất bánh mì

5.1 Nguyên liệu:

Các loại hạt ngũ cốc như lúa mì, lúa nước, bắp, khoai mì là nguồn nguyênliệu chính để làm bánh mì Trong đó chỉ có bột từ lúa mì mới là nguyên liệu

để sản xuất bánh mì

5.2 Quá trình tham gia của enzyme amylase:

Người ta sử dụng enzyme nhằm làm tăng nhanh thể tích bánh mì, làm màusắc của bánh đẹp hơn, làm tăng mùi thơm cho bánh

Người ta sử dụng cả hai loại Enzyme α- amylase và β- amylase, các loạienzyme này tham gia thủy phân tinh bột để tạo thành đường

Nguồn amylase thường được sử dụng từ malt, tuy nhiên những năm gần đâydần dần được thay thế từ nấm sợi

Trong quá trình sử dụng enzyme amylase người ta cho sulfat amon vào bộtnhư một chất đệm cho amylase hoạt động

Mặt khác chất lượng của bánh mì không chỉ phụ thuộc vào lượng CO2 tạo ranhiều hay ít, mà phụ thuộc vào động thái của quá trình tạo ra nó

Khi trong bột có β- amylase hoạt động thì tạo thành CO2 trong quá trìnhnhào bột xảy ra theo chiều hướng tăng và đạt cực đại ở giờ thứ tư của quá

Hình 6: Bánh mì

trình lên men.Như vậy sự tạo thành lượng khí liên tục là nhờ hoạt động củaamyase đưa vào trong quá trình nhào bột.

Ngoài những ứng dụng trên Enzyme amelase còn được ứng dụng trong sảnxuất bánh kẹo, trong sản xuất glucose và mật ong…

PHẦN 2: ENZYME PROTEASE VÀ ỨNG DỤNG CỦA ENZYME PROTEASE TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Trong những năm gần đây, giá trị thương mại của các enzyme công nghiệptrên toàn thế giới đạt khoảng 1 tỷ USD, trong đó chủ yếu là các enzyme thủyphân ( 75%), và protease là một trong ba nhóm enzyme lớn nhất sử dụngtrong công nghiệp (60%)

1 Khái niệm

Protease(peptit-hidrolase) là tên gọi chung của nhóm enzyme xúc tácquá trình thủy phân liên kết peptit (CO-NH)n trong phân tử protein,polypeptit đến các sản phẩm cuối cùng của các axit amin, pepton hoặc di-tripepton Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thủy phân liên kết ester

và vận chuyển axit amin Protease ( peptidase) thuộc phân lớp 4 của lớp thứ

3 (E.C.3.4)

Protease cần thiết cho các sinh vật sống, rất đa dạng về chức năng từ mức độ

tế bào, cơ quan đến cơ thể nên được phân bố rộng rãi trên nhiều đối tượng từ

vi sinh vật ( vi khuẩn, nấm và virus) đến thực vật ( đu đủ, dứa) và động vật(gan, dạ dày bê, )

Hình 7: Enzyme protease