đề tài QUY TRÌNH SẢN XUẤT ENZYME AMYLASE VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM (MALTODEXTRIN)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM  MÔN: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Đề tài: QUY TRINHG SẢN XUẤT ENZYME AMYLASE VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM (MALTODEXTRIN) GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang Nhóm thực hiện: 09 Thứ 5, tiết 7-8 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang TP. Hồ Chí Minh, tháng năm 2015 BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC STT Họ tên MSSV Công việc 1 Phạm Thị Phượng 2005120296 Tìm hiểu về quy trình công nghệ sản xuất enzyme, tổng hợp word 2 Võ Thị Như Quỳnh 2005120279 Tìm hiểu về enzyme amylase, làm powerpoint 3 La Thị Hoài Ân 2005120271 Tìm hiểu về quy trình sản xuất enzyme, làm powerpoint 4 Nguyễn Thị Thanh Quyên 2005120243 Tìm hiểu về công nghệ sản xuất maltodextrin, làm word Nhóm thực hiện: 09 Trang 2 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang MỤC LỤC Phần 1: Tổng quan về enzyme amylase 5 1. Lịch sử nghiên cứu, định nghĩa 5 2. Phân loại, đặc tính, cơ chế tác dụng 5 Phần 2: Nguồn thu nhận enzyme amylase 10 1. Nguồn thực vật 10 1.1 Malt đại mạch 10 1.2 Lúa 10 2. Nguồn vi sinh vật 11 Phần 3: Quy trình công nghệ sản suất enzyme Amylase từ Aspergyllus Oryzae 13 Phần 4: Ứng dụng của enzyme amylase trong sản xuất maltodextrin 19 Phần 5: Các sản phẩm enzyme lưu hành và các nghiên cứu ứng dụng mới 32 Tài liệu tham khảo 34 Nhóm thực hiện: 09 Trang 3 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang MỞ ĐẦU Tinh bột là một sản phẩm tự nhiên quan trọng nhất có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật và trong đời sống con người. Các nước trên thế giới thường sử dụng nguồn tinh bột từ khoai tây, lúa mì, ngô, còn nước ta sử dụng nguồn tinh bột từ gạo và khoai mì là chủ yếu. Quá trình thủy phân tinh bột gồm hai giai đoạn chủ yếu là giai đoạn hồ hóa và giai đoạn đường hóa. Để thực hiện thủy phân tinh bột người ta thường sử dụng hai cách: thủy phân bằng acid và bằng enzyme. Quá trình thủy phân tinh bột từ lâu người ta đã sử dụng acid HCl và acid H 2 SO 4 . Nhưng thực tế cho thấy thủy phân bằng acid rất khó kiểm soát và thường tạo sản phẩm không mong muốn và không đáp ứng tiêu chuẩn an toàn thực phẩm. Vì vậy việc việc sử dụng enzyme để thủy phân tinh bột là một sự phát triển tất yếu của lịch sử. Enzyme amylase được tìm ra đã 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 amylase từ thực vât, động vật và vi sinh vật. Amylase ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở quy mô công nghiệp thay thế cho acid. Hiện nay, các nhà sản xuất có thể sử dụng amylase có khả năng chịu nhiệt cao mà không bị mất hoạt tính, chẳng hạn amylase được tách triết từ vi sih vật, cụ thể là các 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 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 sach dịch đường. Nguồn amylase có thể lấy từ mầm thóc, mầm đại mạch, hạt bắp nảy mầm hay từ nấm mốc,…Nuyên liệu sản xuất là gạo, bắp, khoai mì,…Đây là những nguồn nguyên liệu dễ tìm, rẻ tiền và có thể dễ dàng tìm thấy ở nước ta. Do đó, đây là một lới thế và hướng phát triển mạnh làm cơ sở cho nhiều ngành khác phát triển. Nhóm thực hiện: 09 Trang 4 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ENZYME AMYLASE 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 hóa tinh bột thành đường ở nhiệt độ thường. Đây là công trình đầu tiên thu được chế phẩm ở dạng dung dịch và lịch sử enzyme học thực sự bắt đầu từ đây. Năm 1833, hai nhà khoa học người Pháp là Payen và Pessoz đã chứng minh chất có hoạt động phân giải tinh bột thành đường có thể tách được ở dạng bột. Thí nghiệm 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 hóa tinh bột và nếu đun kết tủa này sẽ mất tác dụng chuyển hóa. Danh từ diastase (từ chữ Latinh diastasis – phân cắt) là do Payen và Persoz dùng để gọi enzyme lúc bấy giờ. 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 2. Phân loại, đặc tính, cơ chế tác dụng 2.1. Phân loại Có 6 loại enzyme được xếp vào 2 nhóm: Endoamylase và Exoamylase Enzyme amylase được phân loại theo sơ đồ sau: Nhóm thực hiện: 09 Trang 5 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang  Endoamylase • Enzyme α-amylase (hay α - 1,4 – glucanohydrolase) α -amylase có khả năng phân cắt các liên kết 1,4-glucoside của cơ chất một cách ngẫu nhiên, 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. •Enzyme khử nhánh Khử trực tiếp: Pullulanase (α-dextrin 6-glucosidase) Pullulanase là một trong những 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 trong sự thoái hóa tinh bột thành glucose và maltose. Pullulanase thủy phẩn α-1, liên kết 6-glycoside của chuỗi phân nhánh và phẩn α-1, 4- glycoside. Nhóm thực hiện: 09 Trang 6 Enzyme amylase Endoamylase Enzyme khử nhánh Exoamylase α - amylase Khử trực tiếp Khử gián tiếp Maylo-1,6-glucosidase Transglucosylase (oligo-1,6- glucosidase) Pullulanase (α-dextrin 6- glucosidase) β - amylase γ - amylase UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang Khử gián tiếp: Transglucosidase (oligo-1,6- glucosidase) và Maylo-1,6- glucosidase: enzyme này thủy phân liên kết β-1,6-glucosidase trong isomaltose, panose và các dextrin tới hạn có thể chuyển hóa được có thể lên men được.  Exoamylase  β-amylose (β-1,4 glucan- maltohdrolase) xúc tác từ sự thủy phân các liên kết 1,4-glucan trong tinh bột, glucogen và poly saccharide phân cắt từng nhóm maltose từ đầu không cắt của mạch. Maltose được hình thành do sự xúc tác của β-amylose có cấu hình β.  γ-amylase (glucose amylase) có khả năng thủy phân liên kết 1,4 lẫn 1,6-glucoside, ngoài ra còn có khả năng thỷ phân liên kết 1,2 và -1,3-glucoside. 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 anzyme amylase khác. Nhóm thực hiện: 09 Trang 7 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang 2.2. Đặc tính Khả năng dextrin hóa: Thủy phân tinh bột → dextrin +một ít maltoza Dextrin có khả năng hoạt hóa cao đặc trưng cho tính chất của enzyme này. Tính bền nhiệt: phân tử có 1 – 6 nguyên tử carbon tham gia vào sự hình thành ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme. Tính tan: enmylase dễ tan trong nước, dung dịch muối và rượu loãng. Các enzyme amylase bị kìm 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 hoạt tính trong vùng acid yếu: 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 hoạt tính của enzyme α-amylase bị vô hoạt trừ enzyme của Aps. Niger có pH từ 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 Aps. Oryzae bền vững đối với acid 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 thích hợp của nó là 50 o C và bị vô hoạt ở 70 o 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 cao 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. Nhóm thực hiện: 09 Trang 8 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang 2.3. Cơ chế tác dụng α-amylase có khả năng phân tách các liên kết α-1,4-glucoside nội mạch ở bất kỳ vị trí nào trong phân tử tinh bột. Với cơ chất là amyloza, α-amylase cho sản phẩm thủy phân chủ yếu là maltose (khoảng 87%) và một ít glucose (13%). Với cơ chất là amylopectin, α-amylase chỉ thủy phân liên kết 1,4, không thủy phân liên kết 1,6. Sản phẩm tạo thành là các dextrin phân tử thấp: maltose, glucose và isomaltose không cho phản ứng với iod. α-amylase hầu như không tác dụng lên tinh bột nguyên thể và tác dụng mạnh lên tinh bột đã hồ hóa. Quá trình thủy phân xảy ra qua nhiều giai đoạn: + Giai đoạn 1 (dextrin hóa): chỉ một số liên kết trong phân tử bị thủy phân, tạo thành một lượng dextrin , độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh. + Giai đoạn 2 (đường hóa): các dextrin vừa tạo thành bị thủy phân, tiếp tục tạo ra các dextrin phân tử thấp hơn, maltose, izomaltose và glucose. β-amylose: đối với các chất amylose β-amylose thủy phân các liên kết glucozit bắt đầu từ đầu không khử của mạch, tách dần, tách dần từng phần tử maltose ra khỏi Nhóm thực hiện: 09 Trang 9 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang cơ chất với hiệu suất 100%. Đối với các cơ chất amylopectin, β-amylose chỉ phân cắt các liên kết 1,4 và cũng tách dần ra khỏi mạch các phân tử maltose bắt đầu từ đầu không khử của mạch. Sự tấn công của của ezyme chỉ xáy ra ở phần thẳng của mạch và bị dừng lại ở vị trí phân nhánh. β-amylose không tác dụng lên tinh bột nguyên thể, chỉ tác dụng lên tinh bột đã hồ hóa. Khác với α-amylose, β-amylose vẫn giữ được hoạt tính khi không có canxi. Glucoamylaza: thủy phân các liên kết α-1,4 và cả 1,6-glucozit của phân tử tinh bột và các polysaccarit khác tương tự. Sựn thủy phân các cơ chất dưới tác dụng của glucosamylaza tiến hành một cách tuần tự ở từng liên kết một, bắt đầu từ đầu không khử của mạch, tách dần từng phân tử của lucoza, glucosamylaza cũng có khả năng thủy phân cả maltoza, azomaltoza và dextrin. PHẦN 2: NGUỒN THU NHẬN ENZYME AMYLASE 1. Thu nhận enzyme từ nguồn thực vật Người ta đã biết cách chiết xuất enzyme từ hạt nảy mầm để sử dụng trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm như: kẹo mạch nha, bia,…khi đó, hạt ngũ cốc được cho nảy mầm, tách bỏ phần rễ và thân mầm, sấy khô ở nhiệt độ thấp và khi đó ta thu được malt. 1.1. Malt đại mạch Các enzyme thủy phân tinh bột trong đại mạch chủ yếu là α-amylase và β- amylase, quá trình nảy mầm của đại mạch là giai đoạn chuyển hóa enzyme từ trạng thái không hoạt động sang trạng thái hoạt động, đồng thời tổng hợp thêm hàng loạt các enzyme mới, giai đoạn này cần chú ý không làm giảm nhiều chất khô của hạt, tạo độ thông thoáng bằng cách đảo trộn. hạt đại mạch trước khi ngâm không có hoạt lực của enzyme α-amylase, khi hạ trải qua 3 – 4 ngày trong giai đoạn nảy mầm thì hoạt lực đạt tới mức cực đại vào ngày thứ 7. Sau đó sẽ giảm xuống. 1.2. Lúa Hệ enzyme của lúa cũng tương tự như trong hạt đại mạch, trong quá trình nảy mầm, hoạt động các enzyme tăng cao thúc đẩy quá trình sinh tổng hợp các loại enzyme và quá trình sinh hóa gần giống đại mạch, chỉ khác về mức độ tạo thành enzyme và tốc độ phản ứng. Khi hạt chưa nảy mầm, các enzyme tồn tại ở dạng liên kết, khi hạt nảy mầm, chúng lại chuyển sang hoạt động. Nhóm thực hiện: 09 Trang 10 [...]... sinh vật Trong ba nguồn thực vật, động vật, vi sinh vật thì vi sinh vật được sử dụng nhiều nhất để thu nhậ enzyme Cơ bản là do các lí do sau : + Có thể điều chỉnh quá trình tổng hợp enzyme dễ dàng hơn các nguồn khác + Hệ enzyme từ vi sinh vật vô cùng phong phú + Giá thành môi trường nuôi cấy đơn giản và rẻ tiền + Tốc độ sinh sản rất nhanh + Dễ kiểm soát quá trình sản xuất và mở rộng ở quy mô công nghiệp... Nhóm thực hiện: 09 Trang 12 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang Tốc độ trao đổi chất mạnh mẽ để tạo nên các sản phẩm mong muốn, dễ dàng tách sản phẩm ra khỏi tạp chất môi trường và sinh khối VSV Giống phải ổn định trong bảo quản và dễ dàng bảo quản PHẦN 3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ENZYME AMYLASE TỪ ASPERGILLUS ORYZAE 1 Nguyên liệu ˗ Nguồn tinh bột : cám gạo chứa khoảng : 20% tinh bột, 10-15% chất... 30oC, trong giai đoạn này, bào tử được hình thành nhiều do đó lượng enzyme amylase tạo ra sẽ giảm xuống Chính vì thế việc xác định thời điểm cần thiết để thu nhận enzyme rất cần thiết • Thu nhận chế phẩm enzyme thô : Kết thúc quá trình nuôi cấy ta thu nhận được chế phẩm enzyme amylase, chế phẩm này được gọi là chế phẩm thô (vì ngoài enzyme ra nó còn chứa sinh khối VSV, thành phần môi trường và nước trong. .. salmonella Không có PHẦN 5: CÁC SẢN PHẨM ENZYME TRÊN THÌ TRƯỜNG VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MỚI Nhóm thực hiện: 09 Trang 29 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang 1 Các sản phẩm được lưu hành trên thị trường trong và ngoài nước a) Sản phẩm cốm enzyme EMEDYC amin Thành phần: mỗi gói cốm 3gr gồm: Enzyme Amylase … .≥85UI Enzyme Protease ……… ≥40UI Enzyme Maltase …… .≥40UI Bột acid amin …… …….50mg Vitamin... (http://khotailieu.com/luan-van-do-an-bao-cao/khoa-hoc-tu-nhien/sinh-hoc/nghiencuu-thu-nhan-enzym-a -amylase- tu-truc-khuan-co-kho.html) Nhóm thực hiện: 09 Trang 32 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thị Hiền -Công nghệ sản xuất enzyme, protein và ứng dụng- NXB Giáo Dục Việt Nam-Năm 2012 http://tailieu.vn/doc/tieu-luan-nghien-cuu -enzyme- amylase- 456200.html http://doc.edu.vn/tai-lieu/de-tai-tim-hieu-va-thu-nhan -enzyme- amylase- tu-chung-nammoc-aspergillus-oryzae-10721/ Nhóm thực hiện: 09 Trang... quy mô công nghiệp 2.1 Vi sinh vật dùng để sản xuất enzyme amylase 2.1.1 Các giống vi sinh vật sản xuất enzyme amylase Những chủng vi sinh vật tạo nhiều enzyme 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 me và vi khuẩn còn xạ khuẩn thì ít được sử dụng Các giống nấm sợi thường được sử dụng là giống nấm sợi Aspergillus, rhizopus... 3 Ưu nhược điểm của phương pháp Ưu điểm: ˗ Quy trình công nghệ thường không phức tạp, lượng enzyme thu được trong nuôi bề mặt thường cao hơn rất nhiều lần so với nuôi cấy chìm ˗ Chế phẩm enzyme thô sau khi thu nhận rất dễ sấy khô và bảo quản ˗ Không cần sử dụng nhiều thiết bị phức tạp, do đó việc vận hành công nghệ cũng như việc đầu tư thiết bị ít tốn kém ˗ Trong trường hợp bị nhiễm vi sinh vật lạ rất... phẩm này phải có số lượng và chất lượng cao hơn các sản phẩm phụ khác Giống phải cho năng suất sinh học cao Giống VSV phải có khả năng thích nghi nhanh và phát triển mạnh trong điều kiện sản xuất công nghiệp Giống VSV phải có khả năng đồng hóa những nguyên liệu rẻ tiền và dễ kiếm tại địa phương nơi nhà máy đang hoạt động Giống phải thuần khiết và có tốc độ sinh sản nhanh Nhóm thực hiện: 09 Trang 12 UDCNSHTCNTP... 19 UDCNSHTCNTP GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang Quy trình sơ đồ công nghệ: Tinh bột bắp Nước Anphaamylase Phối trộn Hồ hóa Dịch hóa Dextrin hóa Than hoạt tính Acid HCl Tẩy màu, chỉnh PH Bã lọc Lọc Cô đặc Sấy phun Sản phẩm Thuyết minh quy trình: 1 Phối trộn: a Mục đích: Chuẩn bị: xử lý sơ bộ mẫu bằng cách làm tăng độ phân tán của tinh bột trong nước để chuẩn bị cho quá trình hồ hóa b Các biến đổi của nguyên... bị: tốc độ phối trộn của thiết bị d Thiết bị và thông số công nghệ: Thiết bị: thiết bị hình trụ có trang bị cánh khuấy Thông số công nghệ: - Phối trộn tinh bột và nước đạt hàm lượng chất khô khoảng 24 % - Chỉnh pH đến pH khoảng 5,8-5,9 bằng NaOH - Bổ sung enzyme alpha -amylase từ Bacillus licheniformis và Bacillus stearothermophilus Hàm lượng enzyme bổ sung vào khoảng 0,4 % khối lượng của tinh bột - Tốc . BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM  MÔN: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Đề tài: QUY TRINHG SẢN XUẤT ENZYME AMYLASE VÀ. 11 Phần 3: Quy trình công nghệ sản suất enzyme Amylase từ Aspergyllus Oryzae 13 Phần 4: Ứng dụng của enzyme amylase trong sản xuất maltodextrin 19 Phần 5: Các sản phẩm enzyme lưu hành và các nghiên. và rẻ tiền. + Tốc độ sinh sản rất nhanh. + Dễ kiểm soát quá trình sản xuất và mở rộng ở quy mô công nghiệp. 2.1. Vi sinh vật dùng để sản xuất enzyme amylase 2.1.1. Các giống vi sinh vật sản xuất