ứng dụng enzyme trong sản xuất bia

I MỞ ĐẦU Sử dụng enzyme sản xuất đời sống vấn đề nhà khoa học kỹ thuật ý từ lâu Ngày nay, việc sử dụng trở thành phổ biến nhiều nước mang lại lợi ích kinh tế lớn Enzyme chất xúc tác sinh học ý nghĩa cho trình sinh trưởng, sinh sản thực vật mà đóng vai trò quan trọng chế biến thực phẩm, y học, kỹ thuật phân tích, công nghệ gen bảo vệ môi trường Ngày nay, bia loại đồ uống thiếu sống người Bia loại nước giải khát, có độ cồn thấp, giàu dinh dưỡng Ngoài việc cung cấp lượng calori lớn, bia chứa hệ enzyme phong phú, kích thích tiêu hoá cho thể người Hiện nay, công nghệ sản xuất bia, người ta thường sử dụng enzyme amylase có mầm đại mạch để thủy phân tinh bột có mầm đại mạch Ngoài ra, người ta sử dụng enzyme khác có mầm đại mạch để thủy phân chuyển hóa chất không tan sang trạng thái tan chuyển protein, cellulose… sang amino acid glucose Lợi dụng quy luật sinh lý bình thường hạt, loài người biết can thiệp khoa học để trình tiến hành nhanh hơn, mạnh biết ngưng giai đoạn định, phục vụ cho mục đích việc tạo sản phẩm bia lúa mạch sản xuất nông nghiệp Tuy nhiên, xét mặt kỹ thuật thấy có số thiếu sót lượng chất khô bị tiêu hao trình nảy mầm lớn; trình đòi hỏi thời gian cho sinh tổng hợp loại enzyme trình chuyển hóa vật chất ; … , sử dụng enzyme từ vi sinh vật hướng nghiên cứu ứng dụng nhiều nước Việc ứng dụng enzyme từ nguồn vi sinh vật vào sản xuất bia nhằm mục đích thay hoàn toàn amylase có hạt malt mà ứng dụng vào công đoạn định để hoàn thiện trình sản xuất Tuy nhiên, nhà máy bia nước ta chưa ý tới việc sử dụng enzyme trình sản xuất Xuất phát từnhững lý nhóm em chọn đề tài “Ứng dụng enzyme sản xuất bia” với mong muốn ứng dụng enzyme sử dụng rộng rãi việc sản xuất bia II NỘI DUNG II.1 Tình hình sản xuất tiêu thụ bia II.1.1 Trên giới Đối với nước có nên công nghiệp phát triển, đời sống kinh tế cao cao bia sử dụng loại nước giải khát thông dụng Hiện giới có 25 nước sản xuất bia với sản lượng 100 tỉ lít/ năm đó: Mỹ, Đức nước sản xuất 10 tỉ lít/ năm, Trung Quốc tỉ lít/ năm Lượng bia tiêu thụ tăng khắp vùng, ngoại trừ vùng Địa Trung Hải, đẩy lượng tiêu thụ toàn giới tăng theo Nhưng lượng tăng đáng kể Trung Quốc, Thái Lan, Philippin với tốc độ tăng đến 11,2% Châu Á khu vực lượng bia tiêu thụ tăng lên nhanh, nhà nghiên cứu thị trường bia giới nhận định châu Á dần giữ vị trí đứng đầu tiêu thụ bia giới Trong sản xuất bia châu Âu có xu hướng giảm, châu Á, trước có mức tiêu thụ bia đầu người thấp đến tăng bình quân 6,5%/ năm Thái Lan có mức tăng bình quân cao 26,5%/ năm, philippin 22,2%/ năm, Malaysia 21,7%/ năm, Indonexia 17,7%/ năm Đấy nước có tốc độ tăng nhanh khu vực Thị trường bia Nhật Bản chiếm 66% thị trường bia khu vực với 30,9 tỉ USD Năm 1939 sản lượng bia Nhật Bản 30 triệu lít mức tiêu thụ đầu người tương đương Việt Nam nay, năm 1960 sản lượng bia vượt 100 triệu lít, đến năm 1991 mức tiêu thụ bình quân đầu người 55,6 lít/ người/ năm Lượng bia tiêu thụ năm 2004 đạt 6500 triệu lít Công nghiệp bia Trung Quốc phát triển nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy tăng trưởng ngành bia châu Á Từ năm 1980-1990 sản lượng bia tăng từ 69,8 triệu lít lên 1230 triệu lít, tức tăng 17 lần Thời kỳ từ 1981-1987 mức tăng trưởng 20% Đến năm 2004, tổng lượng bia tiêu thụ Trung Quốc 28640 triệu lít, xếp thứ hạng giới Tổng lượng bia tiêu thụ nước khu vực châu Á năm 2004 đạt 43147 triệu lít, tăng 11,2% so với năm 2003 II.1.2 Tại Việt Nam Bia đưa vào Việt Nam từ năm 1890 với có mặt nhà máy bia Sài Gòn nhà máy bia Hà Nội, ngành bia Việt Nam có lịch sử 100 năm Hiện nhu cầu thị trường, thời gian ngắn, ngành sản xuất bia có bước phát triển mạnh mẽ thông qua việc đầu tư mở rộng nhà máy bia có từ trước xây dựng nhà máy bia thuộc Trung ương địa phương quản lý, nhà máy lien doanh với hãng nước Công nghiệp bia phát triển kéo theo phát triển ngành sản xuất khác Ngành bia ngành có mức thuế TTĐB cao lên hàng năm nộp vào ngân sách nhà nước lượng đáng kể + Tình hình sản xuất bia nước Năm năm trở lại đây, tác động nhiều yếu tố tốc độ tăng trưởng GDP, tốc độ tăng dân số, tốc độ đô thị hóa, tốc độ đầu tư… mà ngành công nghiệp bia phát triển với tốc độ cao Chẳng hạn năm 2003, sản lượng bia đạt 1290 triệu lít, tăng 20,7% so với năm 2002, đạt 79% so với công suất thiết kế, tiêu thụ bình quân đầu người đạt 16 lít/ năm, nộp ngân sách nhà nước khoảng 3650 tỷ đồng + Về số lượng sở sản xuất Số lượng sở sản xuất giảm xuống so với năm cuối thập niên 1990, đến năm 2003 326 sở sản xuất so với 469 sở tính từ năm 1998 Điều yêu cầu chất lượng bia, mức độ vệ sinh an toàn thực phẩm ngày cao, đồng thời xuất nhiều doanh nghiệp bia lớn có thiết bị đại, thiết bị tiên tiến nên có cạnh tranh gay gắt,nhiều sở sản xuất quy mô nhỏ, chất lượng thấp không đủ khả cạnh tranh phá sản chuyển sang sản xuất sản phẩm khác Trong sở sản xuất bia đó, có Sabeco chiếm sản xuất 200 triệu lít/ năm, Habeco suất 100 triệu lít/ năm, 15 nhà mayys bia có suất 15 triệu lít/ năm khoảng 165 sở sản xuất có lực triệu lít/ năm Hai tổng công ty Bia- Rượu-Nước giải khát Hà Nội Sài Gòn đơn vị đóng góp tích cực giữ vai trò chủ đạo ngành bia Theo báo cáo tỉnh thành phố trực thuộc trung ương hai tổng công ty, riêng năm 2003, doanh thu ngành Bia Rượu Nước giải khát đạt 16497 tỷ đồng, nộp ngân sách nhà nước 5000 tỷ đồng, tạo điều kiện việc làm thu nhập ổn đinh cho 20000 lao động sản lượng bia tiêu thụ toàn quốc đạt 1290 triệu lít, 78,8% công suất thiết kế Habeco Sabeco đạt 472,28 triệu lít ( chiếm 36,61% toàn ngành bia) Hai tổng công ty phát huy hết suất, phải gia công số địa phương nhằm đáp ứng nhu cầu ngày tăng người tiêu dùng + Về thương hiệu bia Những thương hiệu bia sản xuất việt nam chiếm ưu thế, đứng vứng thị trường có khả tiếp tục phát triển mạnh trình hội nhập, là: Sài Gòn, Sài Gòn special, 333, Hà Nội, Heineken, Tiger, Halida… Lượng bia thuộc thương hiệu đạt 713,8 triệu lít chiếm 55,24% thị phần tiêu thụ Mảng thị trường bia cao cấp xuất số loại bia nhập nhà máy bia tươi ( Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh có 10 nhà hàng bia tươi) với sản lượng nhỏ ngày ưa chuộng + Về trình độ công nghệ thiết bị: Các nhà máy bia có công suất 100 triệu lít/ năm có hệ thống thiết bị đại, tieentieens nhập từ nước có công nghiệp sản xuất bia phát triển như: Đức, Đan Mạch… Các nhà máy bia có công suất 20 triệu lít/ năm đầu tư chiều sâu, đổi thiết bị, tiếp thu trình độ công nghệ tiên tiến vào sản xuất + Về nguyên liệu cho ngành bia Năm 2003, kim ngạch nhập nguyên liệu cho ngành sản xuất bia ( chủ yếu malt hoa houblon) khoảng 76 triệu Usd Tổng công ty Habeco thử thử nghiệm trồng đại mạch số nơi chưa có kết không phù hợp thổ nhưỡng khí hậu tại, có nhà máy sản xuất malt đại mạch với công suất 50000 tấn/ năm có khả mở rộng nên 100000 tấn/ năm II.1.3: Quy trình sản xuất bia Nguyên liệu Xử lý nguyên liệu Nghiền nguyên liệu Nấu nguyên liệu Lọc tách bã malt Bã malt Houblon hóa Lắng làm lạnh Men giống Lên men Lên men phụ tàng trữ bia non Lọc bia Ổn định bia sau lọc Chiết chai Thanh trùng Bia thành phẩm Bã hoa II.2 Enzyme dùng sản xuất bia II.2.1 Enzyme - amylase a) Cấu tạo: Enzyme α-Amylase proteincó phân tử lượng thấp, thường nằm khoảng50.000 đến 60.000 Dal Có số trường hợp đặc biệt α-Amylase từ loài vi khuẩn Bacillus macerans có phân tử lượng lên đến 130.000 Dal Đến người ta biết rõ cácchuỗi acid amin 18 loại α-Amylase có loại α-Amylase taka-Amylase từ Apergillus orysee α-Amylase tụy lợn nghiên cứu kỹ hình thể không gian cấutrúc bậc Mới nghiên cứu tính đồng chuỗi mạch acid amin vùng kịnước cho thấy chuỗi mạch acid amin tất Enzyme α-Amylase có cấu trúc bậc tương tự Cấu trúc không gian α-Amylase b Cơ chế tác dụng: α-Amylase từ nguồn khác có nhiều điềm giống αAmylase có khả phân cắt liên kết α-1,4-glucoside nằm phía bên phân tử chất ( tinh bộthoặc glycogen ) cách ngẫu nhiên, không theo trật tự α-Amylase không chỉthủy phân hồ tinh bột mà thủy phân hạt tinh bột nguyên song với tốc độ chậm Quá trình thủy phân tinh bột α-Amylase trình đa giai đoạn: + Ở giai đoạn đầu ( giai đoạn dextrin hóa ): Chỉ số phân tử chất bị thủy phân tạo thành lượng lớn dextrin phân tử thấp (α-dextrin ), độ nhớt hồ tinh bột giảm nhanh( amylose amylopectin bị dịch hóa nhanh ) + Sang giai đoạn ( giai đoạn đường hóa ): Các dextrin phân tử thấp tạo thành bị thủy phân tiếp tục tạo tetra-trimaltose không cho màu với iodine Các chất bị thủy phân chậm α-Amylase disaccharide monosaccharide Dưới tác dụng α-Amylase, amylose bị phân giải nhanh thành oligosaccharide gồm - gốc glucose ( vìvậy, người ta cho αAmylase phân cắt amylose thành đoạn - gốcglucopiranose ) + Sau đó, poliglucose bị phân cắt tiếp tục tạo nên mạch polyglucosecolagen ngắn dần bị phân giải chậm đến maltotetrose, maltotriose maltose Qua mộtthời gian tác dụng dài, sản phẩm thủy phân amylose chứa 13% glucose 87% maltose.Tác dụng α-Amylase lên amylopectin xảy tương không phân cắt liên kết α-1,6glycoside chỗ mạch nhánh phân tử amylopectin nên dù có chịu tác dụng lâu sản phẩm cuối cùng, đường nói ( 72% maltose 19% glucose ) códextrin phân tử thấp isomaltose 8% Tóm lại, tác dụng α-Amylase, tinh bột chuyển thành maltotetrose,maltose, glucose dextrin phân tử thấp Tuy nhiên, thông thường α-Amylase thủy phântinh bột chủ yếu thành dextrin phân tử thấp không cho màu với Iodine maltose Khảnăng dextrin hóa cao α-Amylase tính chất đặc trưng Vì vậy, người ta thường gọi loại Amylase Amylase dextrin hóa hay Amylase dịch hóa c Nguồn thu nhận - Động vật: có tụy tạng động vật -Thực vật: + Đại mạch, lúa : Qúa trình nảy mầm đại mạch giai đoạn chuyển hóa enzyme từ trạng thái không hoạt động sang trạng thái hoạt động, hạt đại mạch trước ngâm hoạt lực emzyme α-Amylase, trải qua 39 ngày giai đoạn nảy mầm hoạt lực đạt tới mức cực đại vào ngày thứ Sau giảm dần - Vi sinh vật + Ngày ưu nhiều mặt vi sinh vật trở thành nguồn thu enzyme α-Amylase chủ đạo + Các giống nấm sợi thường dùng giống nấm sợi Asp.niger, Asp.oryzase, Asp.awamori + Nấm men giả nấm men thuộc giống: Candida, Saccharomyces +Vi khuẩn: gồm nhóm ưa nhiệt (Bac.licheniformis Bac.stearothermophilu) nhóm ưa ẩm (Bac.subtilis Bac.amyloliquefaciens) d Phương pháp thu nhận * Phương pháp thu từ malt đại mạch * Phương pháp thu nhận từ Vi sinh vật: - Sự tổng hợp enzyme amylase phụ thuộc vào tính chất di truyền vi sinh vật mà phụ thuộc vào việc tuyển chọn điều kiện nuôi cấy đặc hiệu, điều kiện lý hóa trình nuôi cấy đóng vai trò quan trọng - Những yếu tố ảnh hưởng: thành phần môi trường, tính chất lý môi trường, độ tiệt trùng, độ ẩm ban đầu, độ thoáng khí nhiệt độ pH môi trường - Có hai phương pháp nuôi Vi sinh vật: + Nuôi vsv tạo α -amylase phương pháp bề mặt + Nuôi vsv tạo α -amylase phương pháp bề sâu - Quy trình công nghệ sản xuất α –amylase từ Asp.oryzase 10 + Enzyme β- amylase xúc tác thủy phân liên kết 1,4 – glucan tinh bột, glycopen saccharide, phân cắt nhóm maltose từ đầu không khử mạch Maltose hình thành xúc tác β – amylase + Hầu không thủy phân hạt tinh bột nguyên mà thủy phân tinh bột hồ hóa + Có khả thủy phân 100% amylose thành maltose 54- 58% amylopectin thành maltose + Khi gặp liên kết α – 1,4 – Glycoside đứng kế cận liên kết α – 1,6 – glycoside ngừng tác dụng Phần lại không bị tác dụng gọi β – dextrin (nó chứa nhiều liên kết 1,6- glycoside cho màu tím đỏ với iốt) Nếu có α β – amylase đồng thời tác dụng lên tinh bột tinh bột bị phân hủy đến 95% II.2.3 enzyme glucoamylase a.Cấu tạo hóa học enzym glucoamylase - Enzym glucoamylase có mã số EC: 3.2.1.Tên khoa học: glucan 1,4-αglucohydrolase Ngoài enzym glucoamylase có tên gọi khác như: amyloglucosidase γ – amylase; lysosomal α – glucosidase; acid maltase; exo1,4-α-glucoside; glucose amylase; γ -1.4 -glucan glucohydrolase Glucoamylase I glucoamylase II Cả hai dạng glucoamylase chuổi glyco – protein, phân tử có chứa D – gluco, D – maltose, D – galactose, thành phần carbonhydrate phân tử glucoamylase I chiếm khoảng 18%, với phân tử glucoamylase II 10% - Phân tử carbonhydrate tham gia thành phần cấu tạo enzyme glucoamylase đóng vai trò giúp ổn định cấu trúc enzyme Ngoài chúng giúp tạo liên kết với chất phân tử polysaccharide giúp cho vùng xúc tác enzym gần với chất hơn, trình thủy phân enzyme thuận lợi hơn.Thành phần acid amine tham gia tạo thành chuổi polypeptid phân tử glucoamylase khác enzyme glucoamylase thu nhận từ nguồn khác nhau.Số lượng acid amine tham gia vào chuổi polypeptid cấu tạo nên phân tử glucoamylase thu nhận từ nấm mốc Aspergillus niger Aspergillus awamori khoảng 650 – 700 acid amin Các acid amin tham gia 13 trung tâm hoạt động enzyme glucoamylase bao gồm acid glutamic, tryptophan, tyrosin, asparagin, acid aspatic, lysin, serin Trong acid glutamic vị trí thứ 179 400 đóng vai trò việc xúc tác thủy phân liên kết O – glucozit chất Sơ đồ cấu tạo trung tâm hoạt động enzyme glucoamylase b Cấu trúc không gian enzym glucoamylase Trong không gian, phân tử glucoamylase chia làm ba vùng với chức riêng biệt: - Vùng SBD (Starch binding domain: vùng gắn kết với tinh bột) có kích thước khoảng 30 A0 Giữ chức liên kết với phân tử chất - Vùng CD (Catalyse Domain: vùng xúc tác) có kích thước khoảng 60 A0, giữ chức xúc tác phản ứng thủy phân liên kết O – glucozit - Vùng Linker có độ dài khoảng 100 A0 liên kết hai vùng lại với 14 Sơ đồ cấu trúc không gian Enzyme Glucoamylase c Các tính chất glucoamylase Đặc trưng phản ứng: enzyme glucoamylase xúc tác phản ứng thủy phân liên kết 1,4 – 1,6 o – glucoside tách gốc gluco từ đầu không khử chuỗi polysaccharide Enzym glucoamylase xúc tác phản ứng thủy phân tinh bột tách gốc glucose từ đầu không khử chuổi polysaccharide Gốc gluco từ đầu không khử gọi glycone, chuổi oligosaccharide sau gluco tách gọi Alglycone Cơ chế xúc tác thủy phân liên kết o – glucozit hoạt động chủ yếu cặp acid amin đóng vai trò cặp acid – base Khi tương tác với chất, acid glutamic vị trí thứ 179 đóng vai trò chất xúc tác acid, proton hóa oxi – glycosidic (phân tử oxi vị trí liên kết o – glucozit) Acid glutamic vị trí thứ 400 đóng vai trò chất xúc tác base, acid amin thu hút tạo liên kết với proton H+ phân tử nước làm giải phóng gốc OH-, gốc OH- công vào vị trí carbon glycosidic liên kết o – glucozit phân tử cỏ chất bị phá vỡ d.Nguồn thu nhận - Glucoamylase nhà khoa học Nhật tách lần từ Aspergillus awamori (Katihara, Kurushima, 1966) Sau tìm thấy Rhizopus delemar, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae nhóm vi sinh vật khác mô động vật 15 - Glucoamylase từ nấm mốc protein có khối lượng phân tử lượng dao động lớn từ 27.000 đến 112.000 Dal, tuỳ thuộc vào nguồn gốc enzyme e Qúa trinh thu nhận Sản xuất thu nhận enzyme glucoamylase phương pháp lên men chim , nguồn vi sinh vật Aspergillus niger( nấm mốc) Quy trình công nghệ Nguyên liệu Trộn Tiệt trùng Nấm mốc Cấy giống Nhân giống Lên men Nghiền Nước Trích li Bã Li tâm Bã Siêu lọc UF Chất độn Sấy thăng hoa Phối trộn Bao bì Đóng gói Chế phẩm enzyme Quy trình công nghệ 16 - Nguyên liệu : Nguyên liệu cho môi trường lên men: chọn môi trường có 65% bột ngô, 0.9% NaNO3, 0.005% MgSO4 10% nước chiết mầm đại mạch - Trộn :Mục đích công nghệ: chuẩn bị cho trình lên men.Quá trình trộn làm cho nguyên liệu phân tán vào - Tiệt trùng:Quá trình tiệt trùng làm giảm lượng vi sinh vật có nguyên liệu, tức giảm yếu tố cạnh tranh yếu tố làm thay đổi thành phần dinh dưỡng môi trường lên men, nhằm tạo điều kiện tốt cho Aspergillus Niger phát triển tạo hệ enzyme glucoamylase Sử dụng thiết bị tiệt trùng dạng mỏng, tiệt trùng thời gian 20 – 30 phút 121oC - Quá trình nhân giống: Độ ẩm môi trường: 60 - 65%, nhiệt độ 28 – 350 C, pH tối ưu: 4-6.5, thời gian 30 – 36 + Trong phòng thí nghiệm: Ở số lượng nhỏ Môi trường nhân giống đưa tiệt trùng, sau cấy giống vi sinh vật vào môi trường cho sinh trưởng điều kiện bình thường + Trong phân xưởng: Ta sử dụng thiết bị lên men hình trụ, có cánh khuấy, phận sục khí lớp vỏ điều nhiệt - Cấy giống: Mục đích công nghệ: Chuẩn bị cho trình lên men thu nhận chế phẩm enzyme glucoamylase Các biến đổi nguyên liệu: Không có biến đổi đáng kể - Lên men: lên men nhằm thu nhận chế phẩm enzyme glucoamylase.Thiết bị lên men hình trụ, có canh khuấy, có hệ hống sục khí Quá trình nuôi cấy nấm mốc thường kéo dài từ 35 – 48 tùy thuộc vào thời gian hoàn thành việc tạo enzyme Nhiệt độ 28 -35o C, không kí cần sục vào môi trường 30 – 40 m 3/m3 x - Nghiền: nguyên liệu xuất nhiều hạt kích thước lớn vón cục độ ẩm, ta phải cho nguyên liệu qua máy nghiền - Trích li: Mục đích công nghệ: Khai thác, dùng nước để chiết rút enzyme glucoamylase canh trường 17 - Li tâm: Tách sinh khối khỏi dung dịch sau trích ly Li tâm – phút nhiệt độ 15 – 20o C Siêu lọc UF: Đây trinh tách tinh enzyme Dịch thu sau phân riêng membrane tách phần nước (cô đặc) chuẩn bị cho trình sắc ký trao đổi ion Sử dụng thiết bị có áp lực thẩm thấu: 6.9 bar, đường kinh mao quản trung binh từ đến 50nm - Sấy thăng hoa: Mục đích: trình sấy tách bớt nước khỏi bán thành phẩm, chuyển nguyên liệu sang dạng rắn.Bảo quản: trình sấy làm giảm giá trị hoạt độ nước, ức chế hoạt động enzyme, chế phẩm enzyme không bị biến đổi trình bảo quản - Phối trộn Mục đích: giai đoạn ta trộn chất bảo quản chất ổn định hoạt tính enzyme vào để bảo quản hoàn thiện sản phẩm - Đóng gói: Mục đích: hoàn thiện sản phẩm, dễ dàng bảo quản vận chuyển, thương mại f Ứng dụng quy trình sản xuất bia Chế phẩm glucoamylase từ nấm mốc Aspergillus, Rhizopus … thay malt làm tác nhân đường hóa tinh bột sản xuất bia từ nguyên liệu có bột Việc sử dụng chế phẩm amylase vi sinh vật thay malt tiết kiệm hàng vạn đại mạch loại tốt, giảm giá thành, rút ngắn quy trình sản xuất Trong giai đoạn đường hóa, glucoamylase chiếm vị trí hàng đầu đóng vai trò định việc chuyển hóa tinh bột thành đường để lên men, cần chọn chủng vi sinh vật có khả sản sinh nhiều enzym glucoamylase Trong sản xuất rượu người ta thường dùng hỗn hợp canh trường bề mặt Aspergillus Usamii Aspergillus Balatae Nếu coi tổng lượng đường maltose, glucose, saccharose, fructose 100% đường hóa malt ta có 71% maltose, 24 – 28% glucose, đường hóa amylase nấm mốc có 14 – 21% maltose, 80 – 85% glucose, sản phẩm cuối thủy phân amylase nấm mốc chủ yếu glucose – đường dễ lên men, lên men bia xảy nhanh II.2.4 Enzyme protease 18 a) Khái quát chung: Protease chất xúc tác thủy phân protein tạo thành phân tử thấp amino acid Hay nói cách khác, protease enzyme phá vỡ liên kết peptid amino acid protein Chúng ý nghĩa cho trình sinh trưởng, sinh sản sinh vật mà đóng vai trò quan trọng công nghệ chế biến thực phẩm, y học , công nghệ gen bảo vệ môi trường Protease enzyme ứng dụng nhiều lĩnh vực Đặc biệt công nghệ thực phẩm, protease có đóng góp to lớn việc phục vụ nâng cao đời sống người Hiện giới, công nghệ thu nhận protease từ vi sinh vật phát triển, tìm tòi khả ứng dụng enzyme protease Cấu trúc không gian enzyme b) Phân loại Chia protease thành hai loại: endopeptidase exopeptidase - Endopeptidase gồm: aminopeptidase Carboxypeptidase + Aminopeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptid đầu N tự chuỗi polypeptid để giải phóng amino acid, dipeptid tripeptid + Carboxypeptidase: Xúc tác thủy phân liêm kết peptid đầu C chuỗi - polypeptid giải phóng amino acid dipeptid Exopeptidase gồm: Serin proteinase; cystein proteinase; Aspartic proteinase Metallo proteinase + Serin proteinase: Là proteinase chứa nhóm –OH gốc serin trung tâm hoạt động có vài trò đặc biệt quan trọng hoạt động xúc tác enzyme Nhóm bao gồm hai nhóm nhỏ chymotrysin 19 subtilisin Các Serin proteinase thường hoạt động mạnh vùng kiềm tính thể tính đặc hiệu chất tương đối rộng + Cysteine proteinase: Các proteinase chứa nhóm –SH trung tâm hoạt động Cysteine proteinase bao gồm proteinase thực vật papain, bromelin, vài protein động vật proteinase ký sinh trùng Các cysteine proteinase thường hoạt động vùng pH trung tính, có tính đặc hiệu chất rộng + Aspartic proteinase: Hầu hết aspartic proteinase thuộc nhóm pepsin Nhóm pepsin bao gồm enzyme tiêu hóa : pepsin, chymosin, cathepsin, renin Các aspartic proteinase có chứa nhóm carboxyl trung tâm hoạt động thường hoạt động mạnh pH trung tính + Metallo proteinase: Metallo proteinase nhóm proteinase tìm thấy vi khuẩn, nấm mốc vi sinh vật bậc cao Các metallo proteinase thường hoạt động vùng pH trung tính hoạt độ giảm mạnh tác dụng EDTA Ngoài ra, protease phân loại cách đơn giản thành ba nhóm: + protease acid: pH 2-4 c) + protease trung tính: pH 7-8 + protease kiềm : pH 9-11 Thu nhận Enzyme protein sinh vật tổng hợp tế bào chất tham gia xúc tác cho phản ứng sinh học Chính thế, sinh vật xem nguồn thu nhận để sản xuất enzyme Nhưng chủ yếu ba nguồn chính: Động vật, thực vật vi sinh vật Protease phân bố thực vật, động vật, vi sinh vật Tuy nhiên nguồn enzyme vi sinh vật phong phú nhất, có hầu hết vi sinh vật vi khuẩn, nấm mốc xạ khuẩn… nói vi sinh vật nguồn nguyên liệu thích hợp để sản xuất enzyme quy mô lớn dùng công nghệ đời sống Enzyme Protease từ nguồn động vật thực vật loài người khai thác ứng dụng hàng ngàn năm để sản xuất phục vụ sống Nhưng lượng enzyme thu nhận từ thực vật động vật thay dần enzyme vi sinh vật enzyme thu nhận từ nguồn thường khó hiệu 20 kinh tế không cao Nguồn enzyme từ vi sinh vật thay enzyme từ động vật thực vật hàng loạt ưu điểm sinh lý vi sinh vật kỹ thuật sản xuất liệt kê sau: - Vi sinh vật có khả chuyển hóa khối lượng chất lớn khối lượng - thể chúng •ang ngàn lần sau ngày đêm Enzyme thu nhận từ vi sinh vật có hoạt tính cao Tốc độ sinh sản vi sinh vật mạnh, thời gian ngắn thu lượng sinh khối vi sinh vật lớn, giúp thời gian ngắn thu - lượng enzyme nhiều lượng sản phẩm trao đổi chất cao Một đặc điểm riêng có vi sinh vật thể nhỏ bé nên việc vận hành, - kiểm soát thiết bị lên men trình sản xuất đơn giản nhiều Vi sinh vật giới sinh vật thích hợp cho sản xuất theo quy mô công nghiệp: Trong sản xuất, trình sinh trưởng, phát triển sinh tổng hợp enzyme vi sinh vật hoàn toàn không phụ thuộc vào khí hậu bên Trong đó, sản xuất enzyme từ nguồn thực vật động vật đưa vào quy mô công - nghiệp Nguồn nguyên liệu dùng sản xuất enzyme theo quy mô công nghiệp rẽ tiền dễ kiếm, ý nghĩa mặt kinh tế mà có ý nghĩa lớn mặt môi trường sống vi sinh vật không đòi hỏi khắt khe yếu tố dinh dưỡng môi trường, vi sinh vật tổng hợp enzyne Chính enzyme - sản xuất từ vi sinh vật thường rẻ tiền enzyme từ nguồn khác Vi sinh vật sinh tổng hợp lúc nhiều loại enzyme khác Nhiều vi sinh vật có khả tổng hợp mạnh Protease, enzyme tế bào tiết vào môi trường nuôi cấy Một số Protease ngoại bào sản xuất quy mô công nghiệp sử dụng rộng rãi nhiều ngành - d) công nghiệp, nông nghiệp y học Nguồn vi sinh vật thu nhận enzyme Protease chủ yếu gồm: vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn Ứng dụng sản xuất bia Trong sản xuất bia, chế phẩm protease làm tăng độ bền bia rút ngắn thời gian lọc, protease A.oryrae dùng thủy phân protease hạt ngũ cốc tạo điều kiện cho xử lý bia tốt II.2.5 Enzyme pullulanase 21 a) Nguồn gốc Enzyme pullulanase có nguồn gốc từ vi khuẩn Aerbacteraerogenes Klebsiella b) Đặc tính chế xúc tác pullulanase (α-dextrin 6-glucosidase) Enzyme thuỷ phân liên kết α-1,6 tinh bột, glycogen, pululan dextrin Điều đáng ý định vị liên kết α-1,6 có ảnh hưởng lớn đến tác động enzyme Đặc biệt có mặt hai liên kết α1,4 nằm liền kề bên liên kết α-1,6 điều kiện cần thiết cho enzyme phân cắt liên kết Do pullulan chất lý tưởng pullulanase, phân tử không phân nhánh cấu tạo đơn vị maltotriose (có hai liên kết α-1,4) liên kết với cầu nối α-,6 glucoside Pullulanase phân giải liên kết α-1,6 glucoside bị bao quanh tứ phía liên kết α-1,4 Nó có khả thủy phân dextrin phân tử thấp gồm có hai gốc maltose nối liên kết α-1,6 glucoside Tác dụng hiệp đồng α-amylase pullulanase làm dextrin bị thủy phân hoàn toàn Pullulanase có pH tối ưu 7, nhiệt độ tối ưu 10 – 50oC Ion Ca2+ hoạt hóa enzyme này, ion Hg2+, Zn2+, Cu2+, Ag2+ Co2+ lại có tác dụng kìm hãm c) Công thức cấu tạo Cấu trúc không gian enzyme pullulanase 22 Công thức cấu tạo d) - Ứng dụng sản xuất bia Tham gia thủy phân liên kết α – 1,6 glucoside poly vào ligosaccharide Phân cắt liên kếtα – 1,6 glucoside trường hợp liên kết bao quanh - tất pha nhờ liên kết α – 1,4glucoside Dextrin có phân tử thấp, dễ bị pululanse phân hủy tạo thành từ gốc maltose, - nối với liên kết α – 1,6 glucoside Nếu kết hợpcủa α – amylase pululanase, Dextrin sẽthủy phân hoàn toàn II.2.6 Enzyme Cellulase a) Cấu trúc enzyme cellulose: - Cellulase có chất protein cấu tạo từ đơn vị axit amin, axit amin nối với lien kết peptid –CO-NH- - Ngoài ra, cấu trúc có phần phụ khác, gồm trung tâm xúc tác đuôi tận cùng, phần đuôi xuất phát từ trung tâm xúc tác gắn them vùng glycosil hóa, cuối đuôi vùng gắn kết với cellulose (CBD: cellulose binding domain) Vùng có vai trò tạo liên kết với cellulose tinh thể - CBD làm gia tăng hoạt tính cellulase tinh thể cellulose Sự có mặt CBD hỗ trợ cho enzyme cellulase thực việc cắt đứt nhiều liên kết cellulose tinh thể 23 - Vùng gắn kết với cellulose có cấu tạo khác với liên kết thông thường protein việc thay đổi chiều dài vùng glycosil hóa có ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác enzyme b) Tính chất enzyme cellulose: -Cellulase thủy phân cellulose tự nhiên dẫn xuất carboxymethyl cellulose (CMC) hydroxyethyl cellulose (HEC) - Cellulase cắt liên kết β-1,4- glucosid cellulose, lichenin βD-glucan ngũ cốc - Độ bền nhiệt tính đặc hiệu chất khác - Cellulase hoạt động pH từ 3-7, pH tối thích khoảng 4-5 - Nhiệt độ tối ưu từ 40-50 độ C - Hoạt tính cellulose bị phá hủy hoàn toàn 80 độ C 10 đến 15 phút - Cellulase bị ức chế sản phẩm phản ứng glucose, cellobiose bị ức chế hoàn toàn Hg - Ngoài ra, cellulose bị ức chế ion kim loại khác Mn, Ag, Zn mức độ nhẹ - Trọng lượng enzyme cellulose thay đổi từ 30 -110 KDa (Begunin, 1990; Gilkes cộng sự, 1991) c) Nguồn gốc enzyme cellulase : • Được thu nhận từ nguồn khác nhau: – Động vật: dịch tiết dày bò, nhóm thân mềm… – Thực vật: hạt ngũ cốc nảy mầm đại mạch, yến mạch, lúa mì mạch đen… – Vi sinh vật: loại xạ khuẩn, vi khuẩn, nấm sợi, nấm men… • Trong thực tế người ta thường thu nhận enzyme cellulase từ vi sinh vật chủng vi sinh vật thường sử dụnglà: – Nấm mốc: Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus candidus… – Xạ khuẩn: Actinomyces griseus, Streptomyces reticuli… – Vi khuẩn: Acetobacter xylinum, Bacillus subtilis, Bacillus pumilis… 24 d)Ứng dụng sản xuất bia Tham gia phân hủy polysacharide không phảiglucide Bổ sung enzyme vào trinh đường hóa hàm lượng đường glactose, arabinose, cylose, glucose tăng lên Hệ enzymecelluase coi biện pháp tăng cường khả đường hóa làm tăng hiệu suất thu cồn sau lên men II.2.7 Các enzyme khác ( sitase, lipase, phytase) - Sitase: khả hoạt động enzime sitase định khả nẩy mầm trình ươm mầm nhóm enzyme sitase làm thay đổi cấu trúc lớp vỏ - ngăn cách vỏ trấu nội nhũ Lipase enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân triacylgycerol ( dầu thực vật) Phytase hạt nảy mầm phytase có tác dụng phân giải phytin 25 III KẾT LUẬN Trong thức uống giải khát bia sản phẩm ưa chuộng dùng phổ biến toàn giới, sản xuất bia đem lại lới nhuận kinh tế cao chình động lực thúc đẩy ngành công nghiệp bia ngày phát triển lịch sử ngành bia nước ta chưa lâu song với quy mô sức phát triển khẳng định công nghiệp sản xuất bia ngành kinh tế quân trọng có chỗ đứng vững kinh tế quốc dân nhiều tiềm để phát triển Việt Nam bước đầu ứng dụng công nghệ enzyme trình sản xuất nên việc nghiên cứu ứng dụng enzyme việc cần ý đầu tư Với việc nghiên cứu “ứng dụng enzyme sản xuất bia” mong muốn đưa đến cho bạn đọc thông tin bổ ích từ việc chiết tách ứng dụng enzyme đời sống sản xuất bia Qua trình tìm hiểu tồn vấn đề, chúng em mong thầy cô bạn tìm hiểu đóng góp thêm ý kiến để quy trình hoàn thiện 26 MỤC LỤC 27 [...]... nay đã khẳng định công nghiệp sản xuất bia là một ngành kinh tế quân trọng có chỗ ứng vững chắc trong nền kinh tế quốc dân và còn nhiều tiềm năng để phát triển Việt Nam chỉ bước đầu ứng dụng công nghệ enzyme trong quá trình sản xuất nên việc nghiên cứu và ứng dụng của enzyme là việc cần được chú ý và đầu tư hơn nữa Với việc nghiên cứu ứng dụng của enzyme trong sản xuất bia mong muốn đưa đến cho bạn... công nghiệp, trong nông nghiệp và trong y học Nguồn vi sinh vật thu nhận enzyme Protease chủ yếu gồm: vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn Ứng dụng trong sản xuất bia Trong sản xuất bia, chế phẩm protease làm tăng độ bền của bia và rút ngắn thời gian lọc, protease của A.oryrae dùng thủy phân protease trong hạt ngũ cốc tạo điều kiện cho xử lý bia tốt hơn II.2.5 Enzyme pullulanase 21 a) Nguồn gốc Enzyme pullulanase... tiết enzyme tiêu hóa vào trong tế bào d Ứng dụng trong sản xuất bia Trong công nghệ sản xuất bia truyền thống các nước phương Tây chủ yếu sử dụng enzim α –amylase của malt để thủy phân tinh bột trong malt , sau đó đến giai đoạn rượu hóa bởi nấm men Saccharomyces Cơ sở khoa học của việc sử dụng malt là khi đại mạc chuyển từ trạng thái hạt sang trạng thái nảy mầm, enzyme α –amylase sẽ được tổng hợp và enzyme. .. nhất để sản xuất enzyme ở quy mô lớn dùng trong công nghệ và đời sống Enzyme Protease từ nguồn động vật và thực vật được loài người khai thác và ứng dụng hàng ngàn năm để sản xuất và phục vụ trong cuộc sống Nhưng hiện nay lượng enzyme thu nhận từ thực vật và động vật được thay thế dần bằng enzyme vi sinh vật enzyme thu nhận từ các nguồn này thường rất khó và hiệu 20 quả kinh tế không cao Nguồn enzyme. .. hoạt độ của nước, ức chế hoạt động của enzyme, chế phẩm enzyme không bị biến đổi trong quá trình bảo quản - Phối trộn Mục đích: giai đoạn này ta trộn các chất bảo quản và chất ổn định hoạt tính enzyme vào để bảo quản và hoàn thiện sản phẩm - Đóng gói: Mục đích: hoàn thiện sản phẩm, dễ dàng trong bảo quản và vận chuyển, thương mại f Ứng dụng trong quy trình sản xuất bia Chế phẩm glucoamylase từ nấm mốc... phẩm, trong y học , trong công nghệ gen và bảo vệ môi trường Protease là một trong những enzyme được ứng dụng rất nhiều trong mọi lĩnh vực Đặc biệt là trong công nghệ thực phẩm, protease đã có những đóng góp rất to lớn trong việc phục vụ và nâng cao đời sống của con người Hiện nay trên thế giới, công nghệ thu nhận protease từ vi sinh vật đang còn phát triển, tìm tòi về khả năng ứng dụng vô vàn của enzyme. .. giúp trong một thời gian ngắn thu được một - lượng enzyme nhiều hoặc lượng các sản phẩm trao đổi chất cao Một đặc điểm riêng có của vi sinh vật đó là cơ thể nhỏ bé nên việc vận hành, - kiểm soát thiết bị lên men trong quá trình sản xuất đơn giản hơn rất nhiều Vi sinh vật là giới sinh vật thích hợp cho sản xuất theo quy mô công nghiệp: Trong sản xuất, quá trình sinh trưởng, phát triển và sinh tổng hợp enzyme. .. α-1,6 glucoside Tác dụng hiệp đồng của α-amylase và pullulanase làm dextrin này bị thủy phân hoàn toàn Pullulanase có pH tối ưu là 5 7, nhiệt độ tối ưu là 10 – 50oC Ion Ca2+ hoạt hóa các enzyme này, trong khi đó các ion Hg2+, Zn2+, Cu2+, Ag2+ và Co2+ lại có tác dụng kìm hãm c) Công thức cấu tạo Cấu trúc không gian của enzyme pullulanase 22 Công thức cấu tạo d) - Ứng dụng trong sản xuất bia Tham gia thủy... enzyne Chính vì thế enzyme được - sản xuất từ vi sinh vật thường rẻ tiền hơn enzyme từ các nguồn khác Vi sinh vật có thể sinh tổng hợp cùng một lúc nhiều loại enzyme khác nhau Nhiều vi sinh vật có khả năng tổng hợp mạnh Protease, các enzyme này có thể ở trong tế bào hoặc được tiết vào môi trường nuôi cấy Một số Protease ngoại bào đã sản xuất quy mô công nghiệp và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành... hóa tinh bột trong sản xuất bia từ nguyên liệu có bột Việc sử dụng chế phẩm amylase vi sinh vật thay malt đã tiết kiệm được hàng vạn tấn đại mạch loại tốt, giảm giá thành, rút ngắn quy trình sản xuất Trong giai đoạn đường hóa, glucoamylase chiếm vị trí hàng đầu và đóng vai trò quyết định trong việc chuyển hóa tinh bột thành đường để lên men, do đó cần chọn chủng vi sinh vật có khả năng sản sinh nhiều ... sản xuất sản phẩm khác Trong sở sản xuất bia đó, có Sabeco chiếm sản xuất 200 triệu lít/ năm, Habeco suất 100 triệu lít/ năm, 15 nhà mayys bia có suất 15 triệu lít/ năm khoảng 165 sở sản xuất có... cao cao bia sử dụng loại nước giải khát thông dụng Hiện giới có 25 nước sản xuất bia với sản lượng 100 tỉ lít/ năm đó: Mỹ, Đức nước sản xuất 10 tỉ lít/ năm, Trung Quốc tỉ lít/ năm Lượng bia tiêu... Các tế bào tiết enzyme tiêu hóa vào tế bào d Ứng dụng sản xuất bia Trong công nghệ sản xuất bia truyền thống nước phương Tây chủ yếu sử dụng enzim α –amylase malt để thủy phân tinh bột malt , sau