Biến tính tinh bôt bằng tác nhân enzime

Vì vậy cầnphải cải biến tinh bột, tức là làm thay đổi cấu trúc, tính chất của tinh bột bằngcác tác nhân vật lí, hoá học hoặc enzymemen,enzim để tạo ra các dẫn xuấttinh bột với các phân t

Trang 1

Biến tính tinh bôt bằng tác nhân enzime GVHD: NGUYỄN THỊ TRANG

BIẾN TÍNH TINH BỘT BẰNG TÁC NHÂN

ENZYME

LỜI MỞ ĐẦU

Tinh bột đã được biết đến từ hàng nghìn năm Người La Mã gọi là amilum,một từ bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, amilon Tinh bột đầu tiên được tách ra từ bột

mỳ hoặc một loại ngũ cốc khác đã được biết đến từ thời xa xưa Thời gian sau

nó được sản xuất từ khoai tây ở Châu Âu và Nhật Bản, từ củ sắn và lúa gạo ởphương Đông và từ ngô ở Mỹ Tinh bột là nguồn cacbohiđrat dự trữ của thựcvật vì vậy nó được tìm thấy phổ biến trong tự nhiên

Tinh bột là một trong những nguyên liệu quan trọng cho nhiều nghành côngnghiệp như công nghiệp giấy, công nghiệp thực phẩm , công nghiệp dệt, côngnghiệp keo dán vì những tính chất đặc trưng của nó như tạo hình, tạo dáng, tạokhung, tạo độ dẻo, độ dai, độ đàn hồi, độ xốp có khả năng tạo gel, tạo màng chonhiều sản phẩm Tuy nhiên tinh bột tự nhiên vẫn còn hạn chế nhiều tính chất,chưa đáp ứng được những yêu cầu khác nhau trong công nghiệp Vì vậy cầnphải cải biến tinh bột, tức là làm thay đổi cấu trúc, tính chất của tinh bột bằngcác tác nhân vật lí, hoá học hoặc enzyme(men,enzim) để tạo ra các dẫn xuấttinh bột với các phân tử bị cắt ngắn đi, nối dài ra và sắp xếp lại, hoặc các dẫnxuất tinh của tinh bột với các nhóm chức rượu bậc nhất trong phân tử, bị oxihoá đến nhóm cacboxyl hoặc những dẫn xuất tinh bột với phân tử được gắnnhóm chức hoá học khác nhau Khi đã có cấu trúc hoá học thay đổi thì tinh bộtdẫn xuất cũng sẽ thu được những tính chất mới khác tinh bột ban đầu Nhờ vậynâng cao được lĩnh vực ứng dụng và từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng và hiệuquả kinh tế Hiện nay, các sản phẩm tinh bột biến tính nghiên cứu ở nước ta rất

đa dạng và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và các nghành

Trang 2

công nghiệp trong nước hầu như chưa có Tinh bột biến tính sử dụng trong côngnghiệp hiện tại phải nhập ngoại với giá thành rất cao.

Nhiệm vụ của đề tài giải quyết các vấn đề sau

1. Nguồn gốc của tinh bột

2. Cấu tạo của tinh bột

3. Nghiên cứu biến tính tinh bột, biến tính tinh bột bằng tác nhân enzyme.

4. Nghiên cứu sự thay đổi của tinh bột sau khi biến tính bằng tác nhân enzyme.

5. Ứng dụng của phương pháp biến tính tinh bột bằng tác nhân enzyme.

1 Nguồn gốc của tinh bột:

Tinh bột hay chất bột, có nhiều trong các hạt ngũ cốc (lúa, nếp, bắp, đậu,kê), cũng như các củ, khoai, hạt hay trái thực vật khác, như củ lang (khoailang), củ mì (khoai mì, sắn), củ từ (khoai từ), củ lăng (khoai mỡ, Dioscorea

Trang 3

alata L.), củ khoai (khoai môn, khoai sọ, Colocasia esculenta L.), củ ấu, củnăng, khoai tây, mình tinh (huỳnh tinh, Maranta arundinacea L.), chuối (chưachín), hạt mít, trái mít (chưa chín), sakê,

2 Cấu tạo của tinh bột:

2.1 Cấu tạo

 Tinh bột là một loại polysaccaride (polysaccarid, polysaccharide), đượctạo ra do các monosaccaride là các α-glucose (glucoz, glucose) liên kết vớinhau bằng liên kết α-1,4- glucoside và α-1,6- glucoside (glicosidic, glycoside,

Trang 4

Tinh bột coi là một polime (polimer), gồm các monome (monomer) là chấtglucose trùng ngưng mà thành Công thức kiểu công thức phân tử của tinh bột

là (C6H10O5)n (n từ 1 000 đến 6 000) Tinh bột được các thực vật tạo ra do sựquang hợp: [6]

Có thể coi phản ứng trên là gộp của hai phản ứng: CO2 và nước do sự quanghợp tạo Glucose trước, sau đó Các phân tử Glucose trùng ngưng tạo tinh bột

Trang 5

 Công thức cấu tạo của tinh bột có hai dạng: dạng amylose (amylozơ,amylose, amyloza) chiếm khoảng 10-30% khối lượng tinh bột và dạngamylopectine (amylopectine, amylosepectin) chiếm khoảng 70-90% khối lượngtinh bột

Trang 6

Các liên kết α(1→4) tạo nên cấu trúc xoắn ốc số đơn vị glucose thườngtrong khoảng từ 300 đến 3000, thông thường là hàng nghìn Mỗi vòng xoắn ốcchứa sáu monome glucose Do đó dạng amylose của tinh bột có cấu tạo mạchthẳng.

Các phân tử iôt chiếm gọn các vòng xoắn ốc trong cấu trúc amylose, do đólàm thay đổi sự hấp thụ màu của tinh bột Vì vậy, có thể nhận biết amylosetrong tinh bột bằng cách pha một lượng nhỏ dung dịch iôt màu vàng Nếu tinhbột chứa amylose thì sẽ quan sát được màu xanh thẫm Cường độ màu có thể

đo bằng dụng cụ đo màu (colorimeter)

Amylose tan được trong nước [2]

glucoside glucoside Dạng amylose của tinh bột

Trang 7

Trang 8

2.1.2.Dạng amylopectine:

Dạng này do các α-glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4- glucoside

và α-1,6- glucoside Do đó dạng amylopectine có mạch Cacbon phân nhánh Và

vì dạng amylopectine chiếm đa số, nên tinh bột có dạng hạt

Amylopectine có nhiều nhánh, có thể chứa tới 2.000 đến 200.000 đơn vịglucose Mỗi chuỗi nhỏ của nó chứa từ 20 đến 24 đơn vị glucose

Amylopectine không tan trong nước [2]

Glucoside glucoside Amilopectine của tinh bột

glucoside

Trang 9

2.2 cấu trúc tinh thể của tinh bột

• Hạt tinh bột có dạng hình tròn hình bầu dục hay hình đa giác

• Hạt tinh bột khoai tây có kích thước lớn nhất còn hạt tinh bột gạo có kíchthước bé nhất

• Trong cùng một loại tinh bột hình dáng và kích thước của các hạt tinhbột không giống nhau

⇒ kich thước hạt khác nhau dẫn đến tính chất cơ lí như nhiêt độ hồ hóa, khảnăng hấp thụ xanh metylen

3 Biến tính tinh bột, biến tính tinh bột bằng tác nhân enzyme:

Trong thực tế sản xuất, ứng với mỗi sản phẩm thực phẩm thường đòi hỏimột dạng tinh bột hoặc một dẫn xuất tinh bột nhất định như: Tinh bột phải có

độ hòa tan tốt, giàu amilose, amilopectine, tính bền vv

⇒ Để có đựơc những sản phẩm tinh bột phù hợp người ta phải biến tính tinhbột

Trang 10

3.1.1 Mục đích của biến tính tinh bột

 Tạo mặt hàng mới

 Tăng giá trị cảm quan

 Cải biến các tính chất của sản phẩm

3.1.2 Các phương pháp biến tính tinh bột

∗ Phương pháp biến tính vật lý

∗ Phương pháp biến tính hóa học

∗ Phương pháp biến tính enzyme

3.2 Biến tính tinh bột bằng tác nhân enzyme 9

Phương pháp thủy phân bằng enzyme: là phương pháp biến tính tinh bột tiên

tiến hiện nay, cho sản phẩm tinh bột biến tính chọn lọc không bị lẫn những hóa

chất khác

Nguyên liệu bao gồm: tinh bột, H2O, enzyme, nhiêt độ, pH thích hợp

CaCl2, CaSO4, nhằm mục đích cung cấp Ca2+ [1]

3.2.1 Việc sử dụng các enzyme trong thủy phân tinh bột:

α-Amylase

Bacillus amyloliquefaciens

Chỉ liên kết α-1,4 Oligosaccharideđược tách ra để cho α-dextrins và chủyếu maltose (G2), G3, G6 và G7oligosaccharides

B licheniformis

Chỉ liên kết α-1,4 Oligosaccharideđược tách ra để cho α-dextrins và chủyếu maltose, G3, G4 và G5oligosaccharides

Aspergillus oryzae , A Ni-giê

Chỉ liên kết α-1,4 Oligosaccharideđược tách ra để cho α-dextrins và chủyếu maltose và G3 oligosaccharides

Saccharifyinga- B subtilis(amylosacchariticus) Chỉ liên kết α-1,4 Oligosaccharide

Trang 11

amylase

được tách ra để cho α-dextrins vớimaltose, G3, G4 và lên đến 50%(w / w) glucose

α-Amylase Malted lúa mạch Chỉ liên kết α-1,4 được tách ra, để

cho dextrins giới hạn và β-maltoseGlucoamylase A niger Liên kết α-1,4 và α-1,6 được tách ra,

để cho α-glucosePullulanase B acidopullulyticus

Chỉ liên kết α-1,6 được tách ra đểcung cấp cho maltodextrins mạchthẳng

Sự thủy phân tinh bột cần hiện diện chất xúc tác thích hợp là các enzyme

Sự thủy phân glucose trải qua các giai đoạn tạo dextrin (cũng là các

polysaccarit, nhưng khối lượng phân tử nhỏ hơn so với tinh bột) , maltose, và

cuối cùng là tạo glucose

Sự thủy phân trên trải qua các giai đoạn sau:

nC6H12O6 glucose

Trang 12

1,4- glucoside, tuy nhiên mỗi loại enzyme đều có điểm khác biệt khi thủy phântinh bột.

α-amylase nó phân cắt các liên kết ở phía trong của phân tử tinh bôt(amylose hay amylopectine) tạo thành dextrin và các oligosaccharide

β-amylase thì cắt tinh bột tạo thành sản phẩm là đường đôi, đó là đườngmaltose (gồm gốc glucose)

γ-amylase thì cắt tinh bột tạo thành sản phẩm là đường đơn glucose

Trong hai thành phần của tinh bột, Amylopectine biểu thị những thách thứclớn cho các hệ thống enzyme hydrolytic Điều này là do có nhánh α-1,6 chiếmkhoảng 4-6% của glucose Hầu hết các enzyme hydrolytic được dùng cho α-1,4- glucoside Liên kết α-1,6- glucoside cũng phải được tách ra để thủy phânhoàn toàn Amylopectine thành glucose

Một số các thử nghiệm gần đây ấn tượng nhất trong sự phát triển của cácenzyme mới có liên quan tới enzyme cắt mạch nhánh Cần thiết để thuỷ phântinh bột trong nhiều quy trình, nhưng gồm hai quy trinh cơ bản:

Quy trình 1, trong đó tinh bột thuỷ phân được thực hiện bởi vi sinh vật

hoặc con người

Quy trình 2, cần thiết để loại bỏ tinh bột.

Trong quy trình 1, như sản xuất sirô glucose, tinh bột thường là thành phầnchính của hỗn hợp phản ứng, trong khi ở các quy trình 2, chẳng hạn như chếbiến nước trái cây, một lượng nhỏ tinh bột làm ô nhiễm vật liệu được loại bỏ.Enzyme các loại được sử dụng trong những quá trình này Mặc dù tinh bột từnhiều loại thực vật có thể được sử dụng, ngô là nguồn phong phú nhất trên thếgiới và được cung cấp phần lớn để chuẩn bị cho việc thuỷ phân tinh bột

3.2.2 Có ba giai đoạn trong việc chuyển đổi tinh bột:

Gel hoá, liên quan đến việc hoà tan các hạt tinh bột để tạo thành dạng huyền

phù nhớt

Dịch hoá, liên quan đến các thủy phân một phần của tinh bột, với sự giảm

thích hợp độ nhớt

Đường hoá, liên quan đến việc sản xuất glucose và maltose bằng cách tiếp

tục thủy phân thêm

Trang 13

3.2.3 Các giai đoạn được tiến hành theo quy trình sau:

Trước khi tiến hành đường hoá phải tiến hành quá trình hồ hoá :

Hồ hóa:

Là giai đoạn làm trương nở và phá vỡ các hạt bột trong nước khi hỗn dịchtinh bột bị đun nóng ( 60-850C ) thì tinh bột sẽ bị hồ hóa và được gọi là hồ tinhbột Dưới tác dụng của enzyme amylase, tinh bột bị thủy phân do các liên kếtglucoside bị phân cắt Sự thủy phân tinh bột bởi enzyme amylase xảy ra theo 2mức độ: Dịch hóa và đường hóa Kết quả của sự dịch hóa là tạo ra sản phẩmtrung gian dextrin và khi dextrin tiếp tục bị đường hóa thì sản phẩm là maltose

và glucose

Nhiệt độ hồ hoá phụ thuộc vào tinh bột của các loại hạt và kích thước hạttinh bột của chúng

Nhiệt độ hồ hoá tối ưu của các hạt đại mạch từ 58 - 62oC

Nhiệt độ hồ hoá tối ưu của gạo là 80 - 82oC

Sau khi hồ hoá, các phần tử tinh bột sẽ liên kết yếu với nhau hoặc khôngliên kết với nhau nữa tạo điều kiện để các enzyme có trong dịch tấn công trựctiếp vào tinh bột, do đó rút ngắn được thời gian đường hoá

Đường hoá:

Là quá trình phân cắt Amylose, Amylopeptin và Dextrin bậc cao thành cácđường đơn giản và Dextrin bậc thấp tạo điều kiện thuận lợi để chúng hoà tanvào nước tạo thành dịch đường Quá trình này được thực hiện nhờ nhóm EnzimAmylase như: a-Amylase, b-Amylase và Amylophosphatase

a-Amylase tác động lên mạch Amylose và Amylopeptin của tinh bột và bẻgãy mắt liên kết a -1,4-glucoside sản phẩm cuối cùng của quá trình này chủ yếu

là Dextrin, một lượng glucose và maltose

b-Amylase cắt liên kết b-1,6- glucoside trên hai mạch amylose vàamilopeptine để tạo thành sản phẩm là maltose

Ngoài ra hai enzyme này có thể đồng thời tác động trên toàn mạch amylose

và mạch nhánh của amylopeptine để tạo thành đường maltose

Amylophosphatase tham gia vào quá trình thủy phân tinh bột với chức năng

Trang 14

Kết quả quá trình này là khoảng 60% maltose được tạo ra cùng với các loạiđường khác như: Fructose – Glucose – Sacarose.

Quá trình đường hoá phụ thuộc vào: nhiệt độ, pH, hàm lượng tinh bột, hoạt

độ và nồng độ enzyme

Cường độ quá trình đường hoá phụ thuộc nhiều vào hàm lượng, hoạt tínhcủa enzyme và điều kiện xảy ra quá trình Bằng cách điều chỉnh khối lượngenzyme, nhiệt độ, pH, ta có thể tạo ưu thế cho sự hoạt động của enzyme nàyhay enzyme khác Cùng với cách này, ta có thể tạo sự thủy phân đến cùng hoặcthủy phân cục bộ các chất riêng biệt Qua đó có thể điều chỉnh được tương quan

tỷ lệ giưa các thành phần trong sản phẩm dịch lên men Hợp phần của các chấtchiết có tính chất khác nhau nên khi chúng có sự thay đổi về tương quan khốilượng sẽ làm thay đổi chất lượng của dịch đường (dịch lên men)

3.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đường hoá đến hàm lượng đường maltose và dextrin:

Trong sản xuất dịch lên men, người ta rất quan tâm đến tỷ lệ giữa maltose vàdextrin Mỗi loại enzyme đều có vùng nhiệt độ tối ưu riêng Nhiệt độ thủy phân

là yếu tố quyết định cường độ và chiều hướng của quá trình đường hoá bởienzyme để định hướng quá trình đường hoá cách tốt nhất và để thực hiện làđiều chỉnh nhiệt độ để điều hoà các phản ứng Điều chỉnh tỷ lệ các thành phầncủa dịch đường bằng cách điều chỉnh nhiêt độ của dịch cháo sao cho phù hợpvới nhiệt độ tối ưu của từng enzyme và duy trì ở nhiệt dộ đó một thời gian thíchhợp thì các hợp chất mới được phân cắt một cách triệt để Nhiệt độ tối ưu chohoạt động của α-amylase là 72oC và của β-amylase là 63oC vàAmylophosphatase là 68oC Đường hoá ở 60 ÷ 63oC là tạo ưu thế cho việc hìnhthành Maltose còn đường hoá ở 70 ÷ 75oC ưu thế tạo thành dextrin

Trang 15

Qua đó ta thấy vùng nhiêt độ tối ưu cho các enzyme Amylase từ 63  67oC.Tuy nhiên điều này còn phụ thuộc vào pH của môi trường

3.2.4 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất đường hoá:

Dextrin/Maltos

e

Maltose/Dextrin

19,9821,3723,6225,8429,3530,3831,7834,2637,3239,8540,18

0,2240,2720,3100,3500,4150,4370,4650,5210,5950,6620,671

4,463,673,272,872,412,292,151,921,681,511,49

Trang 16

pH có ảnh hưởng nhiều đến các phản ứng enzyme vì nồng độ ion [H+] cóảng hưởng đến độ bền của protein của các enzyme Đa số các Enzim bền tronggiới hạn pH = 5 - 9 Song độ bền của enzyme có thể tăng lên khi có mặt của cơchất Coenzyme hoặc Ca2+ Các enzyme khác nhau thì có pH tối ưu khác nhau.Đối với α-amylase, điều kiện pH tối ưu là 5,5 - 5,7 còn β-amylase là 4,9 -5,1 còn các Amylophosphatase là 5,5 - 5,7 pH tối ưu chung cho cả nhómAmylase là 5,4 - 5,6 Nếu pH<3 hoặc cao hơn 8 thì enzyme bị tê liệt đến vôhoạt.

pH tối ưu của amylase phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất là nhiệt

độ Khi tăng nhiệt độ của dịch cháo thì pH của enzyme cũng tăng theo

Khi hạ pH của dịch đường xuống mức độ nhất định nào đó thì có lợi choquá trình đường hoá Hiệu suất đường hoá tăng lên và rút ngắn thời gian đườnghoá

hoá (phút) Hiệu suất đường hoá

6,4 6,0 5,6 5,3

25201515

76,8878,0278,3078,88

4,2 – 4,44,6 – 4,84,8 – 5,25,4 – 5,6

4,3 – 4,64,6 – 4,85,1 – 5,35,5 – 5,7

Trang 17

5,1 4,8 4,52

3540

> 90

79,4079,06Rất khó lọc dịch đườngNgoài nhiệt độ và pH, quá trình đường hoá còn phụ thuộc vào nồng độ cơ

chất cũng như chất lượng dịch sau khi đường hoá

Trang 18

enzyme đa dạng có thể xúc tác thủy phân tinh bột Tinh bột từ tất cả các nguồnthực vật thường ở dạng hạt Các loại hạt khác biệt rõ rệt về kích thước và cáctính chất vật lý Những khác biệt về mặt hoá học là không rõ nét Sự khác biệtchính là tỷ lệ amylose và Amylopectine; ví dụ như tinh bột ngô từ ngô sáp chỉchứa 2% amylose nhưng từ ngô vàng là khoảng 80% amylose Một số tinh bột,

ví dụ khoai tây, có chứa một lượng nhỏ phosphat (khoảng 0,2%), có tác dụngđáng kể đến tính chất vật lý của tinh bột, nhưng không can thiệp vào sự thủyphân

Sự thủy phân tinh bột bằng acid đã được sử dụng rộng rãi trong quá khứ.Nhưng hiện nay được thay thế bằng các quá trình enzyme Vì sử dụng acid đòihỏi các vật liệu chống ăn mòn, tăng độ màu và hàm lượng muối trong sản phẩm(sau khi trung hòa), cần nhiều năng lượng để nâng nhiệt độ phản ứng và tươngđối khó kiểm soát

4 Sự thay đổi của tinh bột sau khi biến tính bằng tác nhân enzyme:

Biến tính bằng enzyme có thể làm thay đổi trọng lượng phân tử của tinh bột

do tác dụng làm thoái biến Tuy nhiên, có một enzyme không làm thay đổitrọng lượng phân tử của tinh bột, duy trì những tính chất vốn có đối với trọnglượng phân tử cao là loại enzyme mà tạo được liên kết của amylose vớiamylopectine để tạo ra một siêu amylopectine (super amylopectine).đó là

enzyme amylomaltase trong chủng vi khuẩn chịu nhiệt, là thermus thermophius enzyme này sau đó được tinh chế và xác định các đặc tính trước

khi sử dụng Enzyme amylomaltase có thể biến tính tinh bột qua phản ứng gọi

là α -1,4 - α -1,4 - glucosyltransferase

Qua những quá trinh trên cho ta biết sau khi bị biến tính sản phẩm củaphương pháp này là các loại đường glucose, fructose; các poliol như sorbitol,mannitol; các acid amin như lysin, MSG, các rượu, các acid

5 Ứng dụng của tinh bột biến tính bằng tác nhân enzyme:

Thủy phân tinh bột bằng enzyme để thu dextrin và tạo ra những sản phẩmrất đặc thù được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp đặc biệt trong côngnghiêp thực phẩm, làm các chất phụ gia để sản xuất bánh kẹo, thực phẩm chotrẻ em, thực phẩm ăn kiêng và thực phẩm dùng để truyền trực tiếp cho bệnh

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	2,33 MB