Ứng dụng enzyme trong công nghiệp thực phẩm

CỔNG NGHEỆP THỰC PHAM • I HỒNG KIM ANF • ^RAN ngọc iirẾU ÚNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP THựC PHẨM NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT LỜ I MỞ Đ Ầ U Enzyme ứng dụng chế biến cải tiến chất lượng thực phẩm từ nhiều năm qua Những tiến lĩnh vực công nghệ enzyme tạo điều kiện quan trọng để sản xuất sẳn phẩm thực phẩm tốt an toàn Bên cạnh ứng dụng truyền thống enzyme sản xuất bánh nướng, pho-mai, cắc trình lên men, chế biến th ịt cá cải thiện q trình trích ly dịch việc tận dụng nguồn phế lỉệu nơng nghiệp để tạo sản phẩm có giá trị gia tăng phụ thuộc rấ t nhiều vào phản ứng enzyme Cơng nghệ enzyme ứng đụng để tạo thành phần ingredient, bổ sung vào thực phẩm để tăng cường giá trị dinh dưỡng đồng thời tạo lợi ích đặc biệt đơi với sức khỏe người sử dụng Enzyme dược nghiên cứu ứng dụng sản xuất th àn h phần chất xơ prebiotics có vai trị cải thiện sức khỏe hệ tiêu hóa, tạo peptide có hoạt tính sinh học với chức kháng viêm, giảm đau, giảm huyết áp Enzyme sử đụng để sản xuất chất tăng cường mùi vị, cổc chất béo tái cấu trúc có giá trị dinh dưỡng cao, hay tạo liên kết ngang phân tử protein để sản xuất chất thay th ế chất béo Qua sách này, mong muôn mang đến cho bạn đọc thông tin ứng dụng truyền thống khả ứng dụng enzyme lĩnh vực công nghiệp thực phẩm Xin trâ n trọng cám ơn Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật dã tạo điều kiện để sách tới tay bạn đọc Các tác giả Chương -L nhũng ứng dụng truyền th ố n g c ũ A ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨN ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT BÁNH NƯỚNG B ánh mì loại bánh nướng m ột loại thực phẩm cung cấp đinh dưỡng h iện H ằng năm , sản lượng bột mì trê n th ế giới lên đến 600 triệu tấ n Người Châu Âu n h ậ n dược gần nửa nhu cầu carbohydrate gổn m ột phần ba nhu cầu protein từ bột mì Người Ai Cập cổ đại từ lâu sử dụng enzyme nội sinh có sần bột mì hoàn toàn chưa b iế t tác dụng chúng Mãi đến th ế kỉ 20, người biết sử dụng enzyme để làm tă n g chất lượng bột ứ n g dụng đưa ct-amylase h t đại mạch nây mầm vào bột làm bánh nướng Sau đó, amylase đại mạch thay th ế amylase vi sinh vật có tín h cỊịịu n h iệt tố t Ngày nay, sản phẩm bánh nướng người ta thấy diện h àn g loạt loại enzyme khác Mặc dù có loại hóa chất có hiệu tương tự enzyme sodium metabisulfite, cysteine, azodicarbonamide (ADA), potassium bromate xu hướng ngày ngành thực phẩm lựa ehọn sản phẩm “xanh” hơn, th ế chất xúc tác sinh học ngày ưa chuộng 1.1 A m y la se Amylase d ể chuẩn hóa bột H ầu h ế t enzyme dùng ngành b án h nứớng có nguồn gốc từ vi nấm Taka-am ylase từ Aspergillus oryzae (E c 3.2.1.1), sử dụng^nhằm mục đích cải th iệ n th ể tích cấu trúc ruột bánh Đầu tiê n enzyme có tá c dụng phân hỏy h t tin h bột bị thương tổn, tạo m altose dưđí tác động Ịì-amylase, nhờ đảm bảo lượng khí tạo bên khối bột m altose loại đườhg nâ'm m en cổ th ể sử dụng Cơ chế có th ể hỗ trợ tích cực cho loại bột c h ất lượng mà khổng cẩn bổ sung th êm đường Tuy nhiẽn, vai trị amylase làm giảm độ n h t bột nhào q trìn h hồ hóa tin h bột ban đầu, tạ o tiề n đề cho việc tă n g th ể tích bánh giai đoạn nướng tạo m ột cấu triíc đồng n h t ruột bánh Taka-araylase tê n đ ặ t cho enzyme am ylase sau nhà khoa học người N h ậ t Takam ine n h ậ n sáng chế số 525823 u s tạ i Mỹ vào năm 1894 cho việc sản xuất amylase từ vi nấm Enzyme b ắ t đầu dùng qui trìn h làm b n h mì từ năm 1928 m ãi đến 1955 đựợc thông qua tạ i Mỹ Ưu điểm Taka-am ylase lẫn protease, chịu n h iệ t tương đối n ê u enzyme bị vô hoạt sau giai đoạn hồ hổa tin h bột (ở 70-80°C) Amylase thu từ đại m ạch ltía mì chứa m ột lượng khắ nhiều protease chịu dược n h iệ t độ cao han n ê n Tất dễ có tác dụng ngược dùng liều Am ylase m g iả m h iện tượng cửng bánh Đ ây mục đích quan trọng thứ hai dùng am ylase n g n h b n h nưđng Quá trìn h bánh bị cứng lại phức tạ p nói chung tượng thối hóa amylopectin Giai đoạn giảm n h iệ t độ v ài sau nướng giai đoạn hình th n h nên cấu trúc vỏ b n h nhờ amylose gel hóa, tạo nên m ột m ạng lưđi có chứa h t tin h bột hồ hổa Quá trìn h tá i m ạch n h n h amylopectin làm cứng cếu trúc bột, từ làm cứng vỏ bánh Phương pháp giải vào h t amyỉose tá i k ế t tin h trìn h lại k ế t tin h các h t tin h đưa bánh bị cứng Mỗi loại am ylase sử dụng có m ột tác động khác Các am ylase có h oạt tín h vừa p hải giúp tă n g th ể tích b ánh Các am ylase phân c bên m ạch có tấ c dụng làm m ạng lưới gel h t amylose trở nên yếu ớt, nhờ vỏ b án h bị cứng sau nướng th i gian bảo quản Nếu dùng endo-amylase chịu n h iệ t th ì có th ể cho hiệu cao Một enzyme cd tá c dụng tố t nhâ't am ylase từ B amyloliquefaciens dược sử dụng Mỹ từ th ậ p n iên 1950 Enzyme giúp bánh bảo quản lâu hơn, n h iê n cần dùng m ột lượng nhỏ, dùng nhiều gây h iệ n tượng key-holding, tượng vỏ bánh có cấu trú c dính, giảm độ dại Nếu dùng amylase chịu n h iệ t h n chế tác dụng ngược hiệu làm giảm h iệ n tượng bánh cứng có th ể th ấ p So với amylase phân cắt nội mạch (endo-araylase) th ì am ylase phân c từ bên (exo-amylase) G4 am ylase (E c 3.2,1.60) maltogenic am ylase (E c 3.2.1.133) cho hiệu tố t Nhờ khả c ngắn bớt mạch amyĩopectin, giải phóng m aỉtooligosaccharide mà enzyme có th ể giúp trá n h h iện tượng tá i k ế t tin h amylopectin, giúp vỏ bắnh mềm hỡn, dai mà không làm yếu mức m ạng lưới amylose Ngoài ra, đoạn amylose kích thước vừa phải tạo nhờ tác dộng exo-amylase có th ể giúp q trìn h k ế t tinh amylose xảy n h an h q trìn h th o i hóa amylopectin, nhờ giảm h iện tượng gấn k ế t mức làm cứng vỏ bấnh 1.2 X y la n a se Xylanase (E.c 3.2.1.8, P-l,4-D-xylan xylanohydrolase), C Ò D CỔ tê n pentosanase hemicelỉulase, xúc tác p h ản ứng thủy phân liên k ế t P-l,4-D-xylosidic nằm bên phần tử xylan Xylanase thường giúp giảm bớt v ấn dề p h t sinh ỏ khối bột nhào làm từ bột chất lượng, giúp ổn định khối bột, cải th iện cấu triỉc ruột thể tích bánh mì 011 ° OH R0.T 'C ^ '0\ / o-' Y—-' ' — "°\ AcO-X— OH Ir rI 0H n HO- V— OH OH IIO O C -H -OCH, H ìn h 1.1 Cấu trúc arabinoxylan Cơ c h ất enzyme arabinoxyỉan, loại polysaccharide tin h bột chiếm tới 60-70% vách tế bào lúa mì 2-3% bột ngũ cốc Trước đáy arabinoxylan chia th n h hai phản phần không chiết nước (WU-AX, w ater unextractable arabinoxylan) p h ần chiết nước (WE-AX, w ater extractabỉe arabinoxylan) Hai arabinoxylan không giống khối lượng p h ân tử (WU-AX cao hơn) nồng độ diferulate Nồng độ diferulate có th ể giúp giải thích khác b iệt kích thước p h ân tử khả Dăng bị trích ly nước hai loại arabinoxylan Do WU-AX c6 nồng độ diferulate cao nên số liên k ế t chéo tạo phán tử AX nhiều khối lượng phân tử lớn WE-AX Điều lý giải m ột phần AX chiết nước Đặc điểm quan trọng n h ấ t AX ngũ cốc khả n ăn g giữ nước WU-AX tạo tính nhớt loại AX Có tác giả chứng m inh WU-AX có th ể hấp thu lượng nước gấp mười lần trọng lượng chúng Các AX đểu có độ nh t rấ t cao Chính tính chất cho th rõ chức n ăn g xylanase ngành bánh nướng Tùy vào sản phẩm mà AX bột có ảnh hưởng khốc ảnh hưởng lên trìn h tạo bột nhào, đặc điểm bột nhào, chất ỉượng sản phẩm Đã có chứng cho rằn g WU-AX ảnh hưởng xâu lên m ạng lưới gluten n ên giảm tín h ổn định khối bột nhào, kết làm thay đểi chất lượng sản phẩm Nếu không dùng xylanase, sản phẩm bị giảm th ể tích so với sản phẩm có WU-AX bi biến dổi xylanase Dùng xylanase để chuyển WU-AX th àn h arabinoxylan hòa ta n (S-AX, solubilized arabinoxylan) có th ể giúp chuyển chúng th n h polymer chức S-AX khối lượng phân tử lớn hoạt dộng chất tạo gel, tăn g độ nh t cho khối bột nhào, làm hệ thống khối bột nhào ổn định Đã có nhiều chứng minh thực tế việc dùng xylanase để cải th iệ n cấu trúc tăng th ể tícli bánh lên 10-30% Trong raột số sản phẩm dạng khô b án h mì giịn, cracker, AX làm tăng độ nhớt khơi bột, ngăn trở q trìn h bốc nước giaỉ đoạn nướng bánh k n ăn g giữ nước AX Điều làm thời gian nướng bánh bị kéo dài, sản phẩm bị sậm màu Các enzyme xylanase dùng sản xuất loại bánh khơ cần phải cố tín h đặc hiệu với WE-AX S-ÂX để làm giảm độ nhớt cho khối bột nhào 10 B ả n g 1.1 Cầc loại enzyme dùng bánh nướng Tên thơng Kí hiệu fE Ú ỉ - a-Amylase E.c 3.2.1.1 Gĩucan 1,4maltotetraohydrolase E.c 3.2.1.60 Tên hệ thống E.c 3.2.1.8 T ẽn k liác Nội thủy phân liên kết 1,4-aglycogenase; a-araylase, D-glucosidic 1,4-a-D-glucan polysaccharide có chứa đến alpha-amylase; endoamylase; Takaglucanohydrola se đơn vị D-glucose nối amylase A liên kết 1,4 Glucan 1,4-amaltotetraohydrolase Glucan 1,4-a 1,4-a-D-glucan E.c malto3.2.1.133 ct-maltohydroỉase hydrolase Endo-l,4-pxylanase P h àn ứng xúc tác 1,4-P-D-xylan xylanohydrolase Thủy phân liên kết 1,4-a-Dglucosidic tinh bột, loại liên tiếp maltotetraose từ đầu không khử exo-maltotetraohydrolase; G4araylase; maltotetraose-forming amylase Thủy phân liên kết 1,4-ot-D-glucosidic polysaccharide, loại bỏ liên tiếp a-maỉtose từ đầu không khử roaltogenic o-amylase endo-l,4-xylanase; xylanase; P-1,4xylanase; endo-p-l,4-xylanase; Thủy phân liên kết 1,4'P-Dendo-1,4-0-D-xylanase; 1,4-pxyloaidic bên phân tử xylanxylano-hydrolase; p-xylanase; xylan p-1,4-xylanxylaao-hydrolase đồng phân thường 7:3, th án h phần có hoạt tính sinh học sn 1,3-DAG o o —C—Ri OH o O ^ C -R s 70%: Srtl,3-DAG 30%: «t.2(2,3)-DAG H ì n h 2.40 Cấu trúc đồng phân DAG (R ạcid béo) Theo phương pháp truyền thống, monoglyceride (Monoacylglycerol - MAG) DAG sản xuất phương pháp thủy phân hóa học điều kiện nhiệt độ 200°c có m ặt xúc tác kiềm NaOH, KOH, Ca(OH)i Hỗn hợp DAG/MAG sử dụng chất nhũ hóa: khơng chứa ion thực phẩm, mỹ phẩm dược phẩm “Công nghệ xanh” sử dụng lipase để sản xuất DAG dang ngày trở nên phổ biến với hiệu suất thu sản phẩm cao 8.6.1 Các phản ứng lipase xúc tác sản xuất dầu DAG Phương pháp đơn giản n hãt để sản xuất DAG lipase thủy phân khơng hồn tồn dầu mỡ Do sản phẩm mong muốn đồng phân snl,3-DAG nên người ta thường sử dụng loại lipase dặc hiệu (non-specific lipase) enzyme thưởng phân cắt TAG tạ i vị trí sn-2 Một phương pháp khác sủ dụng để thu ũhận trực tiếp sn-1,3-DAG ester hóa glycerol với acid béo tự với xúc tác Là enzyme lipase đặc hiệu có khả tạo liên kết ester trí Stt-1,3 (Rosu cộng sự, 1999; Watanabe cộng sự, 2003, 2005; Weber Mukherjee, 2004) 269 — oco - R oco — R + Lipase không đặc hiệu HjO — OH — oco— R2 + — OH — oco— R, — oco— R r— oco - R, — oco— R3 — OH + — oco— R2 + — OH — -OH H i n h 2.41 Giai đoạn đầu trình thủy phân phần dầu, mỡ lipase đặc hiệu; R acid béo Một số nhà khoa học sử dụng phản ứng glycerolysis (phản ứng thủy phân chuyển ester) tác động lipase dể thu nhận DAG với hiệu suất cao Trong phản ứng này, dầu/mỡ ethyl ester sử dụng với glycerol DAG hình th ành nhờ việc loại bỏ nhóm acyl TAG, gắn thêm gốc acyl vào MAG (được tạo trìn h phản ứng) Lỉpase khơng đặc hiệu thường cho kết khả quan enzyme phân cắt gốc acyỉ vị trí sn-2 TAG để tạo DAG-1,3 MAG-1 MAG-3 Lipase không đặc hiệu giúp chuyển gốc acyl phân tử TAG đến vị trí glycerol Trong đó, lipase đặc hiệu vị trí Srt-1,3 có.thể chuyển nhóm acyl vị trí Stt-l sn~3 TAG đến vị trí sn-1,3 glycerol Hiện nay, người ta thường dùng phương pháp tạo DAG s/1-1,3 có độ tinh cao với hai phản ứng: thủy phân khơng hồn tồn dầu mỡ để thu sản phẩm thủy phân lượng acid béo tự cao, sau sử dụng ỉipase đặc hiệu cho vị trí sn-1,3 để ester hỏa cốc acid béo tự hỗn hợp thu với glycerol Lipase đặc hiệu í re-1,3 khững đặc hiệu — o c o -— R — OH — - o c o R + — OH — OH — o c o R — OH — OH — OH + — o c o r2 — oco Rì — o c o Rì — OH ■— o c o — "Rt + — OH — oco— + r3 + — o c o r — OH H ì n h 2.42 Phản ứng glycerolysis tổng hợp DAG sử dụng lipase không đặc hiệu đặc hiệu sn-1,3 8.6.2 Q ui t r ì n h c ô n g n g h ệ s ả n x u ấ t DAG P hản ứng glycerolysis ester hóa thực mơi trường có khơng có dung mơi hữu Tuy nhiên sử đụng dung môi hữu giúp phản ứng' diễn nhanh trình truyền khối xảy thuận lợi hơn, Tuy nhiên, việc sử dụng dung môi hữu lợi sản phẩm DAG ứng dụng thực phẩm Phản ứng tổng hợp DAG xảy pha lỏng pha rắn Nếu phản ứng xảy pha rắn, cần lưu ý điểm nóng chảy sản phẩm để bảo đảm hỗn hợp phản ứng trạng thái rắn nhằm tăng hiệu suất q trình Tuy nhiên việc kiểm sốt nhiệt độ nóng chảy q trình tổng hợp DAG thường khó khăn nhiẹt độ nóng chảy DAG nằm vùng nh iệt độ nóng chảy TAG MAG Trong trìn h sản xuất DAG phương pháp enzyme, lipase cổ th ể đuợe sử dụng dạng tự cố định, nhiên sử dụng ỉipase cố định có số uu điểm đễ dàng tái sử dụng enzyme thực phản ứng liên tục thiết bị phản ứng dạng cột c ố định lĩpase làm tăng độ ổn định enzyme, đặc biệt hệ dung môi hữu Tuy nhiên chất mang cố định enzyme lại có th ể thúc đẩy dịch chuyển gốc acyl tượng không mong muốn, phản ứng chuyển ester Ngoài ra, DAG tổng hợp để sử dụng thực 271 , phẩm, lipase chất mang phải loại phép sử dụng thực phẩm Một vấn dề rấ t quan trọng khác chọn lựa enzyme cho phù hợp với loại phản ứng chất Ví dụ lipase đặc hiệu cho vị trí sn-1,3 rấ t hữu hiệu với phản ứng lại không cần thiết cho phản ứng khác Tính đặc hiệu enzyme dối với acid béo glyceride, ảnh hưởng chất m ang lipase đôi với phản ứng enzyme vấn đề cần lưu ý Trong phản ứng tổng hợp DAG, dạng th iế t bị phản ứng enzyme vân đề rấ t quan trọng Thiết bị phản ứng gián đoạn thường sử dụng phịng th í nghiệm Lipase chất phối trộn thiết bị phản ứng dạng bình có cánh khuấy diều kiện kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ Tuy nhiên qui mô sản xuất lổn hơn, th iế t bị gián đoạn lựa chọn tối ưu hiệu suất th ấp chi phí sản xuất lớn Trong sản xuất công nghiệp, người ta thường sử dụng hệ thống th iết bị phản ứng liên tục packed-bed reactor, sử dụng enzyme cố định 272 Lipase PS-D Thành pbẩn sản phím % Lipase AK * 100 I 80 Oi q '