TIỂU LUẬN: QUY TRÌNH SẢN XUẤT AMYLASE TỪ VI SINH VẬT docx

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM MÔN HỌC: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TIỂU LUẬN: QUY TRÌNH SẢN XUẤT AMYLASE TỪ VI SINH VẬT GVDH: Ths. Nguyễn Thị Thu Sang Nhóm: 09 Lớp: 02DHLTP2 SVTH gồm có: 01 - Trần Thị Chiến - 2205115008 02 - Đỗ Tuấn Hưng - 2205115221 03 - Nguyễn Thị Huyện - 2205115020 04 - Nguyễn Thị Diễm Kim - 2205115131 05 - Trần Thị Hoài Thông - 2205115059 06 - Nguyễn Thị Thơ – 2205115122 Tháng 12- 2012 2 LỜI MỞ ĐẦU Tinh bột là sản phẩm tự nhiên quan trọng nhất có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật và trong đời sống con người. Nhiều nước trên thế giới sử dụng nguồn tinh bột từ khoai tây, lúa mì, ngô (sắn), còn riêng ở nước ta thì sử dụng gạo và khoai mì là nguồn tinh bột chủ yếu. Quá trình thủy phân tinh bột gồm hai công đoạn chủ yếu là giai đoạn hồ hóa và giai đoạn đường hóa. Để thực hiện hai công đoạn công nghệ nói trên, trong thực tế sản xuất người ta áp dụng hai cách: thủy phân tinh bột bằng acid và bằng enzyme. Để thủy phân tinh bột từ lâu người ta đã sử dụng acid vô cơ như HCl và H 2 SO 4 . Nhưng kết quả cho thấy, thủy phân bằng acid rất khó kiểm soát và thường tạo nhiều sản phẩm không mong muốn và không đáp ứng tiêu chuẩn an toàn thực phẩm. Do vậy việc thay thế và ứng dụng enzyme để thủy phân tinh bột là một kết quả tất yếu của lịch sử phát triển. Enzyme amylase đã được tìm ra đã được góp phần quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp chế biến thực phẩm. Enzym amylase có thể tìm thấy ở nhiều nguồn khác nhau như amylase từ thực vật, động vật và VSV. Amylase càng ngày càng được thay thế acid trong sản xuất ở quy mô công nghiệp. Hiện nay, các nhà sản xuất có thể sử dụng amylase có khả năng chịu nhiệt cao mà không mất hoạt tính, chẳng hạn amylase được chiết xuất từ VSV, cụ thể là các chuẩn vi khuẩn chịu nhiệt được phân lập từ những suối nước nóng. Ngoài ra, amylase còn có nhiều ưu điểm hơn khi sử dụng acid để thủy phân tinh bột: năng lượng xúc tác thấp, không yêu cầu cao về thiết bị sử dụng, giảm chi phí cho quá trình tinh sạch dịch đường. Nguồn amylase có thể lấy từ mầm thóc, mầm đại mạch (malt), hạt bắp nảy mầm, hay từ nấm mốc, Nguyên liệu sản xuất là gạo, bắp, khoai mì, … Đây là những nguồn nguyên liệu dễ tìm, rẻ tiền và có thể thấy dễ dàng ở nước ta. Do đó, đây là một lợi thế và là hướng phát triển mạnh làm cơ sở cho nhiều ngành khác phát triển. 3 PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ENZYME AMYLASE 1.1 Giới thiệu về enzyme Amylase 1.1.1 Lịch sử nghiên cứu, định nghĩa Vào đầu thế kỷ XIX, các nhà nghiên cứu đã tách được các chất gây ra quá trình lên men. Năm 1814 Kirchoff, viện sĩ Saint Petercburg đã phát hiện nước chiết của mầm đại mạch có khả năng chuyển hoá tinh bột thành đường ở nhiệt độ thường. Năm 1833, hai nhà khoa học người Pháp là Payen và Persor đã chứng minh chất có hoạt động phân giải tinh bột thành đường có thể tách được ở dạng bột. Thí nghiệm này được tiến hành bằng cách cho etanol vào dịch chiết của lúa đại mạch nảy mầm thì thấy xuất hiện kết tủa. Kết tủa được hình thành này có khả năng chuyển hoá tinh bột và nếu đun kết tủa này sẽ mất tác dụng chuyển hoá. Danh từ diastase là do Payen và Persor dung để gọi enzyme lúc bấy giờ. Enzyme Amylase đã được tìm ra góp phần quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp chế biến thực phẩm. Enzyme amylase có thể tìm thấy ở nhiều nguồn khác nhau như từ thực vật, động vật và vi sinh vật. Enzyme amylase được sử dụng nhiều trong sản xuất là do khả năng chịu nhiệt cao, năng lượng xúc tác thấp, không yêu cầu cao về thiết bị sử dụng, giảm chi phí cho quá trình tinh sạch dịch đường. Các enzyme amylase thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm polysaccharide với sự tham gia của nước: R.R` + H-OH → RH + R`OH 1.1.2 Phân loại, đặc tính, cơ chế tác dụng 1.1.2.1 Phân loại Có 6 loại enzyme được xếp vào hai nhóm lớn: Endoamylase và Exoamylase. Enzyme amylase được phân loại theo sơ đồ sau 4  Endoamylase: α– amylase Amylase có khả năng phân cắt các liên kết 1,4- glucoside của cơ chất một cách ngẫu nhiên và là enzyme nội bào. α-amylase không chỉ có khả năng phân hủy hồ tinh bột mà còn có khả năng phân hủy các hạt tinh bột nguyên vẹn. Khử trực tiếp Khử gián tiếp Pullulanase (α-dextrin 6 – glucosidase) Transglucosylase (oligo-1,6 glucosidase) Maylo-1,6- glucosidase Enzyme khử nhánh α-amylase Endoamylase Enzyme amylase γ- amylase (glucose amylase) β- amylase (α- 1,4 – glucanmaltohydrolase) Exoamylase 5 Enzyme khử nhánh -Khử trực tiếp (Pullulanase) Pullulanase là một trong các enzyme quan trọng nhất trong chế biến tinh bột. Enzyme này được sử dụng trên một quy mô lớn trong glucose và các ngành công nghiệp sirô maltose. Pullulanase là một loại enzyme rất mạnh cho sự thoái hóa tinh bột thành glucose hoặc maltose. Pullulanase thủy phân α-1, 6- glycosidic liên kết của chuỗi phân nhánh và α-1, 4-glycosidic. -Khử gián tiếp Transglucosylase (oligo-1,6- glucosidase) và Maylo-1,6-glucoside: Enzyme này thủy phân liên kết β-1,6- glucoside trong isomaltose, panose và các dextrin tới hạn có thể chuyển hóa đường có thể lên men được.  Exoamylase β–amylase (β-1,4-glucan-maltohydrolase) β–amylase xúc tác từ sự thủy phân các liên kết 1,4-glucan trong tinh bột, glucogen và polysaccharide, phân cắt từng nhóm maltose từ đầu không khử của mạch. Maltose được hình thành do sự xúc tác của β-amylase có cấu hình β. γ–amylase (glucose amylase) Glucose amylase có khả năng thủy phân liên kết -1,4 lẫn -1,6- glucoside, ngoài ra còn có khả năng thủy phân liên kết -1,2 và -1,3- glucoside. 6 Glucose amylase có khả năng thủy phân hoàn toàn tinh bột, glucogen, amylopectin, dextrin… thành glucose mà không cần có sự tham gia của các loại enzyme amylase khác 1.1.2.2 Đặc tính  Đặc tính chung: Khả năng dextrin hóa: Thủy phân tinh bột > dextrin + một ít maltoza. Dextrin có khả năng họat hóa cao, đặc trưng cho tính chất của enzyme này. Tính bền nhiệt: Phân tử có 1-6 nguyên tử C, tham gia vào sự hình thành ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme. Tính tan: Amylase dễ tan trong nước, trong dung dịch muối và rượu loãng. Các amylase bị kiềm hãm bởi các kim loại nặng như Cu 2+, Ag + , Hg 2+. Cơ chất tác dụng: của enzyme amylase là tinh bột và glycogen.  Đặc tính riêng α – amylase có những đặc tính rất đặc trưng về cơ chế tác động, chuyển hóa tinh bột, khả năng chịu nhiệt: Thể hiện họat tính trong vùng axit yếu: với nấm mốc có pH từ 4.5 – 4.9, nấm sợi có pH từ 4.0 – 4.8 (có thể hoạt động tốt trong vùng pH từ 4. 5 – 5.8), vi khuẩn có pH từ 5.9 – 6. 1 (pH<3 thì enzyme α – amylase bị vô hoạt trừ enzyme của Asp.Niger có pH 2.5 – 2.8). α - amylase của nấm mốc có khả năng dextrin hóa cao tạo ra một lượng lớn glucose và maltose. Độ bền đối với tác dụng của acid cũng khác nhau. α-amylase của Asp.oryzae bền vững đối với acid tốt hơn là α-amylase của malt và vi khuẩn Bac.subtilis. Nhiệt độ tối thích cho hoạt động xúc tác của α - amylase từ các nguồn khác nhau cũng không đồng nhất. α-amylase của nấm sợi rất nhạy cảm đối với tác động nhiệt. Nhiệt độ tối thích của nó là 50°C và bị vô hoạt ở 70°C (Kozmina, 1991). α-amylase là một metaloenzyme. Mỗi phân tử α-amylase đều có chứa 1-30 nguyên tử gam Ca/mol, nhưng không ít hơn 1-6 nguyên tử gam/mol Ca tham gia vào sự hình thành, ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme và duy trì hoạt động của enzyme. Do đó, Ca còn có vai trò duy trì sự tồn tại của enzyme khi bị tác động bởi các tác nhân gây biến tính và tác động của các enzyme phân giải protein. Nếu phân tử α-amylase bị loại bỏ hết Ca thì nó sẽ hoàn toàn bị mất hết khả năng thủy phân cơ chất. α-amylase bền với nhiệt độ hơn các enzyme khác. Một số kim loại như: Li + , Na + , Cr 3+ , Mn 2+ , Zn 2+ , CO 2+ , Sn 2+ , Cr 3+ thì không có ảnh hưởng mấy đến α-amylase. 7 1.1.2.3 Cơ chế tác dụng α-amylase có khả năng phân cách các liên kết α-1,4-glucoside nằm ở phía bên trong phần tử cơ chất (tinh bột hoặc glycogen) một cách ngẫu nhiên. Nó không chỉ thủy phân hồ tinh bột mà nó thủy phân cả hạt tinh bột nhưng với tốc độ rất chậm. Quá trình thủy phân tinh bột bởi enzyme α-amylase là quá trình đa giai đoạn. Giai đoạn 1 (dextrin hóa): Tinh bột α-amylase dextrin phân tử lượng thấp. Chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp (α-dextrin), độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh (các amylose và amylopectin đều bị dịch hóa nhanh). Giai đoạn 2 (giai đoạn đường hóa):  Dextrin phân tử thấp bị thủy phân > tetra và trimaltose (không cho màu với iod) thủy phân rất chậm > disaccharide và monosaccharide. -Amylose phân giải nhanh > oligosacharide > poliglucose (gồm 6-7 gốc glucose) bị phân cách > mạch polyglucose colagen ngắn >Maltose > maltotriose > maltotetrose.  Tác dụng của α-amylase lên amylopectin cũng xảy ra tương tự nhưng vì không phân cắt được liên kết α-1,6-glycoside ở chỗ mạch nhánh trong phân tử amylopectin nên dù có chịu tác dụng lâu thì sản phẩm cuối cùng ngoài các đường nói trên (72% maltose và 19% glucose) còn có dextrin phân tử thấp và isomaltose 8%. 8 PHẦN 2 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN GIỐNG VI SINH VẬT 2.1 Vai trò của giống vi sinh vật trong công nghệ enzyme Trong công nghệ enzyme từ VSV, giống đóng vai trò quyết định:  Giống VSV quyết định đến năng suất enzyme của nhà máy.  Giống VSV quyết định đến chất lượng sản phẩm sinh học (hay là hoạt tính enzyme).  Giống VSV quyết định vốn đầu tư cho sản xuất.  Giống VSV còn quyết định đến giá thành sản phẩm. 2.2 Vi sinh vật dùng để sản xuất enzyme Amylase 2.2.1 Các giống vi sinh vật sản xuất enzyme Amylase Ngày nay do ưu thế về nhiều mặt, vi sinh vật trở thành nguồn thu enzyme amylase chủ đạo. Những chủng vi sinh vật tạo nhiều amylase thường được phân lập từ các nguồn tự nhiên. Vi sinh vật tạo amylase được dùng nhiều hơn cả là nấm sợi, giả nấm men và vi khuẩn,còn xạ khuẩn thì ít hơn. Các giống nấm sợi thường dùng là giống nấm sợi Aspergillus, rhizopus. Nấm men và giả nấm men thuộc các giống Candida, Saccharomyces, Endomycopsy, Endomyces cũng tạo amylase. Nhiều vi khuẩn có khả năng tạo lượng lớn amylase như: Bac.polymyxa, Phytomonas destructans, Cassavanum… các vi khuẩn ưa nhiệt có khả năng sinh trưởng nhanh và phát triển tốt ở nhiệt độ cao nên khi nuôi chúng ít bị nhiễm vi sinh vật khác. Trong nhóm xạ khuẩn rất hiếm gặp loại tạo amylase mạnh mẽ, tuy nhiên cũng có một số ít như xạ khuẩn ưa nhiệt. Micromonospora vugaris 42 có khả năng tạo một lượng nhỏ a-amylase hoạt động ở 65°C cùng với protease và các enzyme khác. 9 2.2.2 Giới thiệu Chủng nấm mốc Aspergillus Oryzae Đặc điểm cấu trúc hình thái của Chủng nấm mốc Aspergillus Oryzae Condium of Aspergillus Oryzae Aspergillus Oryzae là một loại nấm vi thể thuộc bộ Plectascales, lớp Ascomyctes (năng khuẩn). Cơ thể sinh trưởng của nó là một hệ sợi bao gồm những sợi rất mảnh, chiều ngang 5-7m, phân nhánh rất nhiều và có vách ngăn, chia sợi thành nhiều bao tế bào (nấm đa bào). Từ những sợi nằm ngang này hình thành những sợi đứng thẳng gọi là cuống đính bào tử, ở đó có cơ quan sinh sản vô tính. Cuống đính bào tử của Aspergillus Oryzae thường dài 1-2mm nên có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Phía đầu cuống đính bào tử phồng lên gọi là bọng. Từ bọng này phân chia thành những tế bào nhỏ, thuôn, dài, gọi là những tế bào hình chai. Đầu các tế bào hình chai phân chia thành những bào tử đính vào nhau, nên gọi là đính bào tử. Đính bào tử của Aspergillus Oryzae có màu vàng lục hay màu vàng hoa cau…. Bào tử cùng thành phần môi trường 10 được sấy khô ở nhiệt độ < 50 o C cho đến khi độ ẩm <8 o C, đưa vào bao, hàn kín và bảo quản ở nhiệt độ thường. Đặc điểm của giống Asp.oryzae giàu cả enzyme thủy phân nội bào và ngoại bào (amylase, protease, pectinasae,….), ta rất hay gặp chúng ở các kho nguyên liệu, trong các thùng chứa đựng bột, gạo….đã hết nhưng không được rửa sạch, ở cặn bã bia, bã rượu, ở lõi ngô, bã sắn….chúng mọc và phát triển có khi thành lớp mốc, có màu đen, vàng… màu do các bào tử già có màu sắc. các bào tử này, dễ bị gió cuốn bay xa và rơi vào đâu khi gặp điều kiện thuận lợi sẽ mọc thành mới. 2.2.3 Các phương pháp phân lập và bảo quản 2.2.3.1 Các phương pháp phân lập Vi sinh vật phân bố rất rộng trong tự nhiên từ nơi có địa hình bình thường đên nơi có địa thế phức tạp, đâu đâu cũng có mặt vsv. ở những nơi giàu chất hữu cơ, hay nghèo chất hữu cơ, trong không khí, trên bề mặt các vật, trong cơ thể người, động vật, nơi có nhệt độ rất thấp và hiện diện cả ở nơi có nhệt độ cao. VSV có khả năng thích nghi trong trong mọi hoàn cảnh môi trường. Chính nhờ khả năng tuyệt vời này mà VSV có khả năng tồn tại ngay cả trong hoàn cảnh khắc nghiệt nhất. Thông thường để phâp lập một giống chủng vsv để thu nhận enzyme thì có 3 cách phân lập. Phân lập giống trong điều kiện tự nhiên Phân lập giống trong điều kiện sản xuất Phân lập giống trong mẫu giống đã hư hỏng Tùy thuộc vào khả năng và những điều kiện thực tế mà ta chọn cách phân lập cho phù hợp. mỗi cách phân lập trên đều cho thấy những ưu điểm riêng biệt. Sau đây là một số ưu điểm. Phân lập giống trong điều kiện tự nhiên Trong điều kiện tự nhiên, VSV để có thể tồn tại và thích nghi nhanh được thì cần phải có khả năng sinh tổng hợp thật nhiều loại enzyme để chuyển hóa nhanh cơ chất có trong môi trường thành vật chất cung cấp cho tế bào. Điều này thì không thích hợp cho việc sinh tổng hợp enzyme (ở quy mô sản xuất công nghiệp) với một loại enzyme thật sự mạnh. Các loài VSV có khả năng sinh tổng hợp một loại enzyme nào đó thường tập trung ở vùng môi trường chứa nhiều cơ chất tương ứng. Dựa vào đặc điểm này chúng ta có thể dễ dàng xác định vị trí cần phân lập loại VSV sinh tổng hợp enzyme mà ta cần. Ví dụ: nếu ta muốn phân lập VSV có khả năng sinh tổng hợp protease cao, ta phải tìm nơi có chứa nhiều protein trong tự nhiên, còn nếu muốn phân [...]... bào vi sinh vật giống bị thối hóa, nhưng cũng còn nhiều tế bào khơng bị thối hóa Vi c phân lập lại từ nguồn gốc này nhiều khi lại đạt được những kết quả tốt Phương pháp phân lập nấm mốc Aspergillus oryzae Trong đất có nhiều lồi vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp enzyme amylase Ở nấm mốc nguồn cơ chất thích hợp cho q trình sinh tổng hợp enzyme amylase này là tinh bột Chúng ta có thể phân lập từ đất,... thích hợp 2.2.3.2 Phương pháp bảo quản giống vi sinh vật Mục đích của bảo quản giống vi sinh vật dùng trong sản xuất enzyme là đảm bảo tính ổn định trong q trình tổng hợp enzyme và tính ổn định của hoạt tính enzyme Có các phương pháp để thực hiện q trình này như sau:  Cấy truyền và bảo quản lạnh Phương pháp dựa trên ngun tắc là vi sinh vật sẽ hạn chế q trình trao đổi chất trong điều kiện lạnh ở một... qua q trình biến đổi gen và có những đặc điểm sinh hóa hơn các giống vi sinh vật hoang dại Mật độ tế bào vi sinh vật trong điều kiện sản xuất (trong dịch lên men, dịch nước thải, chất thải của q trình lên men) thường rất cao Do đó, khả năng thu nhận của những chủng có khả năng sinh tổng hợp cao thường rất cao Phân lập giống trong mơi trường giống đã hư hỏng Các ống giống có thể bị nhiễm do q trình. .. trong sản xuất cồn Để sản xuất cồn từ nguồn ngun liệu tinh bột, mỗi nước sử dụng các loại ngun liệu khác nhau Ví dụ, ở Mỹ người ta sử dụng ngun liệu từ bột ngơ để sản xuất cồn, còn ở Brazin lại sử dụng khoai mì, các nước khác sử dụng gạo hoặc tấm từ gạo Q trình sản xuất cồn trải qua hai giai đoạn: giai đoạn đường hóa và giai đoạn rượu hóa Giai đoạn đường hóa, người ta bắt buộc phải sử dụng enzyme amylase. .. trong q trình đường hóa để sản xuất rượu Sake từ cách đây hơn 1700 năm Người Trung Quốc thì đã sử dụng nhiều loại nấm mốc để đường hóa rượu trong sản xuất rượu cách đây 4000 năm Còn người Vi t Nam đã biết sản xuất rượu từ gạo cách đây hàng ngàn năm 32 Riêng ở Mỹ, mãi đến thế kỷ XIX khi Takamine người Nhật đưa nấm mốc Aspergillus sang mới biết sử dụng enzyme này thay amylase của malt để sản xuất cồn... Các nước sử dụng lượng enzyme amylase nhiều nhất trong lĩnh vực này là Mỹ, Nhật, Pháp, Đan Mạch Ngồi ra, enzyme amylase cũng được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong sản xuất đường bột, sản xuất dextrin, maltodextrin, nha glucose, siro, glucose – fructose, sản xuất tương và nước chấm…ở quy mơ cơng nghiệp 4.2.2.3 Ứng dụng enzyme amylase trong sản xuất thuốc thú y Enzyme amylase thường được bổ sung trong... enzyme amylase là ở chỗ các enzyme tham gia q trình rượu hóa nằm trong tế bào nấm men Vi c điều khiển các q trình chuyển hóa bởi enzyme trong tế bào thực chất là q trình trao đổi chất của nấm men trong mơi trường chứa đường 4.2.1.4 Ứng dụng enzyme amylase trong sản xuất mỳ chính Ngun liệu chính: tinh bột sắn, rỉ đường mía Các chủng vi sinh vật: Corymebacterium hydrocacboclast, bacillus, Brevibacterium...lập vsv có khả năng sinh tổng hợp amylase ta cần phải tìm nơi có chứa nhiều tinh bột trong tự nhiên Phân lập giống trong điều kiện sản xuất Các giống được phân lập trong điều kiện sản xuất thường đã thích nghi với điều kiện sản xuất Nhờ đó, sau khi phân lập, các giống này khơng cần qua giai đoạn sản xuất thử, thí nghiệm Các giống được phân lập trong điều kiện sản xuất thường là những giống đã... phương pháp Micomalt (mầm mốc) trong sản xuất cồn và rượu Nhờ sự du nhập kỹ thuật này từ Nhật mà người Mỹ tiết kiệm được một khối lượng malt khổng lồ trong sản xuất rượu Giai đoạn rượu hóa, nhờ nấm men Saccharomyces serevisiae, cũng có thể xem đây là một q trình áp dụng enzyme Q trình rượu hóa là q trình hết sức phức tạp, trải qua rất nhiều giai đoạn chuyển hóa từ đường thành cồn nhờ sự tham gia của... dụng thực tế: 4.2.1 Enzyme amylase trong cơng nghiệp thực phẩm 4.2.1.1 Ứng dụng amylase trong sản xuất bia Trong cơng nghệ sản xuất bia truyền thống, các nước phương Tây chủ yếu sử dụng enzyme amylase của malt để thủy phân tinh bột trong malt, sau đó đến giai đoạn rượu hóa bởi nấm men Saccharomyces sp Cơ sở khoa học của vi c sử dụng amylase của malt ở chỗ, khi đại mạch chuyển từ trạng thái hạt sang trạng . thành sản phẩm. 2.2 Vi sinh vật dùng để sản xuất enzyme Amylase 2.2.1 Các giống vi sinh vật sản xuất enzyme Amylase Ngày nay do ưu thế về nhiều mặt, vi. MÔN HỌC: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TIỂU LUẬN: QUY TRÌNH SẢN XUẤT AMYLASE TỪ VI SINH VẬT GVDH: Ths. Nguyễn Thị Thu