enzyme trong nghiền ẩm tinh bột

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI ENZYME TRONG NGHIỀN ẨM TINH BỘT MỤC LỤC Danh mục hình Hình 82 Sơ đồ bước tiến hành q trình nghiền bắp ẩm … Hình 83 Cấu trúc bậc α-amylase .…10 Hình 84 Cấu trúc bậc enzyme xúc tác glucoamylases A.awamori vật kính 100 12 Hình 86 Cấu trúc bậc enzyme glucose isomerase S.rubiginosus với glucose, Mg+, Mn+, phối tử (1XIF) 14 Danh sách nhóm STT Họ tên sinh viên MSSV Công việc Lương Thiện Vy 2008110367 1, 2, 3.1, 3.2 Tô Thị Xuân 2008110370 3.3, 4.1, 4.2 Nguyễn Thị Kim Tuyền 2008110343 4.3, 5, 6, Tổng hợp I ĐẶT VẤN ĐỀ Các q trình hóa học xảy hệ thống sống phản ứng có hiệu cao nhờ tác dụng xúc tác enzyme Enzyme chất xúc tác sinh học có chất protein có đầy đủ tính chất chất xúc tác hóa học, ngồi có tính chất ưu việt như: có hiệu suất xúc tác cao điều kiện nhiệt độ áp suất bình thường, có tính đặc hiệu cao Các tính chất bảo tồn tách enzyme khỏi hệ thống sống, hoạt động điều kiện in vitro Vì vậy, enzyme ngày sử dụng rộng rãi thực tế, với quy mô ngày lớn, dẫn đến việc hình thành phát triển ngành cơng nghệ sản xuất enzyme, cơng nghệ sản xuất thiết bị có cấu tử enzyme biosensor, thận nhân tạo biochip Việc sử dụng enzyme khơng có ý nghĩa kinh tế mà giải vấn đề mơi trường để khai thác sử dụng enzyme có hiệu cần có kiến thưc enzyme Là khía cạnh ngành cơng nghệ enzyme, việc sử dụng enzyme công nghệ nghiền ẩm tinh bột có nguồn gốc từ sắn (mì) hay ngơ (bắp) mang lại giá trị cao Trong phạm vi báo cáo này, giới thiệu tới bạn đọc nội dung sau: Giới thiệu số enzyme sử dụng trình nghiền ẩm loại hạt quy trình tổng quát để chuyển đổi từ bắp sang dịch chiết frutose cao nồng độ (HFCS) Giới thiệu cách cụ thể nguồn gốc, cấu trúc sử dụng công nghiệp –Amylase, Glucoamylase , Glucose isomerases Hướng sử dụng nguyên liệu tinh bột sắn thay cho tinh bột bắp sản xuất sản phẩm Kỹ thuật sản phẩm nhiên liệu etanol Trong khn khổ tìm hiểu nhóm để phục vụ cho q trình học tập dịch từ tài liệu Tiếng Anh nên chưa thể trình bày cách khoa học thấu đáo Rất mong nhận đóng góp ý kiến phản hồi để báo cáo hoàn thiện Cám ơn hướng dẫn Th.S Đào Thị Mỹ Linh tham gia bạn giúp nhóm hồn thành viết! II NỘI DUNG Giới thiệu Trong phương pháp nghiền ẩm, hạt ngũ cốc ngâm sau tách riêng thành phần cách nghiền ly tâm Quy trình sử dụng vận tốc lớn để chuyển đổi nguyên liệu nông nghiệp thô thành sản phẩm cần thiết cuối Hầu hết phương pháp ướt tiến hành Trung Tây Hoa Kì, bang Iowa, Illinois Ấn Độ - nơi bắp sản xuất Các sản phẩm chủ yếu làm Mĩ bán cho khách hàng bên cơng nghiệp nghiền bắp, gồm xuất khẩu, 10 tấn/năm sở nguyên liệu khô tinh khiết vào năm 2002 ethanol, dịch chiết bắp fructose nồng độcao (HFCS_high-fructose corn syrup ), tinh bột dịch chiết glucose Phương pháp nghiền ẩm bắp đòi hỏi chuỗi quy trình phức tạp, mơ tả phần 5.2.Trong đó, quan trọng bước liên quan đến enzyme: thủy phân tinh bột thành đoạn maltooligosaccharide ngắn (dextrin) enzyme α - amylase, thủy phân tiếp dextrin thành glucose enzyme glucoseamylase có thêm lượng enzyme pullulanase; tiến hành đồng phân hóa glucose cho hỗn hợp glucose fructose trạng thái cân bằng enzyme glucose isomerase Do quy trình có quy mơ lớn nên enzyme sản xuất với trọng lượng lớn so với enzyme khá, giống với enzyme protease amylase sử dụng tổng hợp chất tẩy rửa Bên cạnh có nhiều loại enzyme khác enzyme β-amylase maltogenic αamylase sử dụng cho quy trình phụ khơng mơ tả Quy trình tổng quát để chuyển đổi từ bắp sang dịch chiết frutose cao nồng độ (HFCS) Có bước quy trình chuyển đổi từ bắp sang tinh bột phương pháp nghiền ướt bước để chuyển đổi tinh bột sang HFCS (hình 82) (1) Ngâm hạt bắp dung dịch SO2 để làm mềm hạt (2) Nghiền sơ hạt để loại bỏ phần mầm-phần chứa dầu khỏi tế bào, chất xơ protein (3) Phân tách xoáy để tách mầm (4) Nghiền kĩ để tách tinh bột khỏi chất xơ protein (5) Sàng lọc để lấy chất xơ khỏi protein tinh bột (6) Ly tâm để tách protein khỏi tinh bột (7) Thủy phân tinh bột thành dextrin enzyme α-amylase Hình 82 Sơ đồ bước tiến hành trình nghiền bắp ẩm (8) Thủy phân dextrin enzyme amylase thường bổ sung thêm lượng enzyme pullulanase để tạo đường glucose (9) Đồng phân hóa để tạo hỗn hợp glucose-fructose enzyme glucose isomerase (10)Tách fructose khỏi glucose sản phẩm khác phương pháp sắc ký lỏng (11)Trộn fructose với lượng glucose sản phẩm phụ để tạo HFCS 55 (55% fructose) Hình 82 (tiếp tục) 2.1 Ngâm bắp Bắp vàng loại trồng chủ yếu Trung Tây Hoa Kì ngâm bể lớn có chứa dung dịch SO2 từ 24-36h (bước 1) Quy trình lên men sản xuất lactic xảy bể Các bể xếp cách dựa vào độ dài thời gian bắp ngâmmà tức bắp ngâm thời gian ngắn ngâm bể có dung dịch cũ ngược lại, bắp ngâm thời gian lâu ngâm bể có dung dịch nhất; dung dịch ngâm cho qua từ bể chứa bắp ngâm thời gian dài tới bắp ngâm thời gian ngắn Mục đích việc ngâm để làm mềm hạt(chứa 10-15% nước) Ngồi ra, ngâm làm rã thành phần hạt, có chứa mầm, dầu protein; nội nhũ – thành phần lớn hạt chứa chủ yếu tinh bột mịn phần vỏ( bao gồm chủ yếu chất xơ protein) Dung dịch ngâm hiểu nước ngâm rượu ngâm bắp chất bổ sung có giá trị q trình lên men giàu vitamin yếu tố tăng trưởng 2.2 Nghiền thô loại bỏ mầm phương pháp tách xốy Ở phương pháp nghiền thơ (bước 2), bắp ngâm mềm tiến hành nghiền để thô phá vỡ thành phần mà đảm bảo khơng làm ảnh hưởng đến mầm Sau đó, mầm tách theo xốy (bước 3) mầm nhẹ so với thành phần hạt Trong mầm có lượng dầu tiến hành ép sau tinh chế chúng; phần lại mầm thành phần chứa nhiều protein nhà sản xuất kết hợp với loại thức ăn bột giàu gluten 2.3 Nghiền mịn loại bỏ xơ phương pháp sàng lọc Phương pháp nghiền mịn thành phần lại hạt (bước 4) thiết kế cho ta tách lượng tinh bột protein khỏi xơ nhiều Tiến hành lọc ngăn (bước 5) loại bỏ xơ, phần lại đa số vỏ bắp, tế bào tinh bột protein chúng thành phần có khối lượng lớn Phần xơ có chứa lượng nhỏ tinh bột protein khơng dễ dàng tách phần xơ thường kết hợp với thức ăn bột chứa gluten bước 2.4 Ly tâm rửa để phần riêng tinh bột khỏi protein Tinh bột protein hai thành phần không tan nước, ta tách chúng phương pháp ly tâm (bước 6) Tinh bột rửa nhiều lần cách thêm nước vào liên tiếp lần khử nước thiết bị phân tách xoáy.Cách mang lại độ tinh khiết lên đến 98%, tạp chất lại chủ yếu chứa bên hạt tinh bột Protein gluten kết hợp với phần xơ dầu mầm sử dụng chủ yếu hai sản phẩm sau: bột gluten thức ăn chứa gluten với lượng protein khác Tinh bột sấy khơ bán thời điểm chúng biến đổi phương pháp hóa học xử lí tiếp tục để tạo dextrin, glucose, ethanol HFCS Lượng tinh bột thủy phân acid để tạo loạt dịch bắp; giá sản phẩm định nhà sản xuất 2.5 Thủy phân enzyme amylase (hóa lỏng) Trong tinh bột, dạng amylopectin chiếm khoảng 70 - 90% khối lượng Dạng αglucose liên kết với liên kết α-1,4-glicozit α-1,6-glicozit Do dạng amylopectin có mạch cacbon phân nhánh Và dạng amylopectin chiếm đa số nên tinh bột có dạng hạt Dưới tác dụng enzyme amylase, tinh bột bị thuỷ phân liên kết glucoside bị phân cắt, giai đoạn gọi giai đoạn dịch hóa Kết thu đoạn dextrin ngắn Hai lý cho việc sử dụng α-amylase: (1) để làm cho chuỗi tinh bột ngắn để chúng không tạo thành gel nhiệt độ giảm, (2) tạo nhiều đoạn cuối chuỗi điều tạo điều kiện cho việc sử dụng enzyme glucoamylase bước enzyme phân cắt phân tử glucose từ đoạn cuối chuỗi Các mô tả chi tiết trình bày mục Ở thời điểm nhà sản xuất bán dextrin sản phẩm thương mại sau tiến hành sấy khô tiếp tục xử lý chúng mục phần 2.6 Thủy phân enzyme glucoamylase (đường hóa) Glucoamylase, thường gọi amiloglucosidase AMG công nghiệp, pullulanase bổ sung vào hỗn hợp dextrin – chứa từ 1-> 20 glucose liên kết với liên kết 1,4-glycoside (bước 8) có số điểm nhánh liên kết liên kết 1,6-glycoside Chỉ có enzyme glucoamylase phá vỡ liên kết chuỗi hai enzyme (glucoamylase pullulanase) phá vỡ điểm nhánh Quá trình thủy phân tạo đến 96% số lượng glucose, 4% dextrin lại với sản phẩm khác Mơ tả chi tiết trình trình bày mục 2.3 2.4 Các dịch glucose tiến hành siêu lọc lọc để loại bỏ chất rắn; tạp chất hòa tan, muối thêm vào bước bổ sung enzyme α-amylase hình thành thay đổi pH bước bổ sung enzyme glucoamylase loại bỏ cacbon trao đổi ion Nhà sản xuất lựa chọn thời điểm để đưa dịch glucose vào trình lên men tạo ethanol sản phẩm khác.Dịch glucose bốc kết tinh tạo dạng rắn gọi dextrose thị trường Hoặc tiến hành bước để chuyển đổi sang HFCS mô tả bước (mục 2.1) Dịch glucose sau tiến hành lên men nấm men Hỗn hợp lên men lỏng chưng cất liên tục cột, nồng độ ethanol tăng dần cách tách nước, tế bào nấm men chất hòa tan Vì ethanol cuối gần đạt tinh khiết hồn tồn.Hỗn hợp trộn với xăng để làm nhiên liệu cho ôtô, cung cấp nguồn nguyên liệu thô cho sản phẩm công nghiệp sử dụng thức uống có cồn 2.7 Đồng hóa enzyme glucose isomerase Dịch glucose chuyển qua cột chứa enzyme isomerase cố định hạt xốp (bước 9) Vì enzyme có giá thành cao nhiều so với α-amylase glucoamylase nên phải cố định để sử dụng thời gian dài bị hòa tan dịch đường Tuy nhiên, enzyme glucose isomerase bị hoạt tính sử dụng thời gian cột thường đặt sát cho cột chứa glucose isomerase có hoạt tính cao có tốc độ dòng chảy qua cột cao ; cột chứa glucose isomerase cũ có tốc độ dòng chảy thấp Việc tiến hành thực cho lượng fructose Hỗn hợp đường sản xuất bước trước truyền qua cột có chứa hạt trao đổi ion axit mạnh với Ca 2+ ( Bước 10 ) Tách fructose khỏi hỗn hợp glucose sản phẩm khác, với lượng đường giàu fructose, có 90% đường fructose, khỏi cột cuối Hỗn hợp cô đặc kết tinh để tinh thể Fructoza tinh khiết Một phần fructose không bị kết tinh đưa đến bước Glucose sản phẩm khác tái chế để bước trước đưa vào Bước 11 Fructose mà không bị kết tinh đem pha trộn với glucose sản phẩm khác từ bước 8, 9, 10 để mang lại đường có khoảng 55% fructose ( Bước 11 ) Các bước khác sau để hồn thành việc tạo HFCS 55, Gồm trao đổi ion để loại muối, decolorization với than cô đặc bốc nước để mang lại nồng độ đường từ 45% đến 70% HFCS 55 sucrose giống hệt tính ngọt, hương vị; HFCS 55 có độ cao sucrose, rẻ so với sucrose chiếm nửa chất tự nhiên thị trường Mỹ -Amylase 3.1 Nguồn gốc tính chất enzyme -amylase (1,4-a-D-glucan glucanohydrolase, E.C 3.2.1.1) tìm thấy giới sống Là enzyme nội bào Có khả cắt ngẫu nhiên liên kết α (1-4) glycosidic tinh bột, glycogen maltooligosaccharides để tạo maltooligosaccharides ngắn đường glucose, α -amylases phân loại endo-hydrolases Tỷ lệ thủy phân nhanh liên kết đặt cách xa cuối chuỗi Điều α -amylase hoạt động khoảng hở khơng có rào cản hai đầu, đó, chuỗi chất ràng buộc với liên kết α (1-4) glycosidic giáp với điểm enzyme phân cắt Sản xuất bắt buộc gần cuối chuỗi có khả từ dư lượng glucosyl bị ràng buộc, dẫn đến lượng liên kết thấp số cân thấp chuỗi maltooligosaccharide thủy phân nhanh với giá trị cao vmax giá trị thấp KM Dễ tan rượu lỗng, dung dịch muối nước Nói chungα-amylase cắt α (1-4) glycosidic cắt α (1-6) glycosidic chỗ mạch nhánh phân tử Bacillus amyloliquefaciens loài vi khuẩn chi Bacillus sử dụng công nghiệp α- amylasetừBacillus amyloliquefaciens thường sử dụng thủy phân tinh bột, phân tử lại sau ủ 62- α –maltosylmaltotriose (một dư lượng maltosyl liên kết thông qua α -glycosidic liên kết với nhóm 6-OH dư lượng glucosyl maltotriose) Điều cho thấy liên kết α –glycosidic.α -amylase metaloenzyme Mỗi phân tử αamylase có chứa Ca2+ tham gia vào hình thành ổn định cấu trúc bậc enzyme, trì hoạt động enzyme Ca2+ cần thiết cho hoạt động ổn định 3.2 Cấu trúc α–amylase chiếm đa số họ hydrolase Mặc dù hầu hết enzyme họ hydrolase cắt ngẫu nhiên liên kết α (1-4) glycosidic vài trường hợp liên kết α- (1-6) lượng dư glucosyl (EC 3.2.1 -.), số glucosyltransferases (EC 2.4 0,1 -.) synthase trehalose (EC 5.4.99.16) Xem xét họ glycoside hydrolase phân loại sở tương tự trình tự aa (cấu trúc chính), sau enzyme khác phát theo thời gian 10 Cấu trúc bậc ba α-amylase tìm thấy B licheniformis (cấu trúc Protein Data Bank 1BPL 1VJS (Hình 83), Bacillus (gần phân loại lại Geobacillus) stearothermophilus (1HVX) , Bacillus subtilis (1BAG), Pseudoalteromonas haloplanctis (1AQM) , Thermoactinomyces vulgaris (1JI1) ; nấm Aspergillus niger (2AAA) Aspergillus oryzae (7TAA) ; vulgare Hordeum thực vật (1AMY) ; Molitor trùng Tenebrio (1JAE) ; động vật có vú Homo sapiens [cả hai tuyến tụy (1JXJ)] hình thức nước bọt (1HNYvà Sus scrofa (1PPI)) , Cấu trúc bậc cho maltogenic α -amylase (EC 3.2.1.133) từ G stearothermophilus Thermus sp mantotetraoza hình thành exo-amylase (EC 3.2.1.60) từ vi khuẩn Pseudomonas stutzeri, từ enzyme, với đặc trưng liên quan chặt chẽ, có sẵn Hình 83 Cấu trúc bậc α-amylase Tất họ 13 α-amylase biết có chức năng: A, chức xúc tác mang cấu trúc (βα)8, lõi chúng bao gồm β-sợi bao quanh α-xoắn; B, vòng lặp dài với β-sợi β-sợi xoắn α gắn Ca 2+; C, β-sheet B licheniformis α-amylase, sử dụng nhiều ngành cơng nghiệp, chứa 483 acid amin có khối lượng phân tử protein 55 268 Da Tên miền A gồm lượng dư 1-103 207-396, miền B bào gồm dư lượng 104-206 Dư lượng 397-483 miền C, trường hợp gồm có sợi β xuất để ràng buộc hạt tinh bột liên kết miền A B loài khác tiến hóa tìm thấy nơi khác α-amylase từ nguồn khác có thành phần amino acid khác nhau, loại αamylase có tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng cho α-amylase protein giàu aspartic, glutamic 3.3 Sử dụng công nghiệp Tinh bột trộn với B licheniformis G stearothermophilus α-amylase, sau nước đưa vào để pha trộn đồng hỗn hợp, nhiệt độ 105 oC, pH 5,6-6,5 α-amylase cắt tinh bột thành chuỗi maltooligosaccharide ngắn Hỗn hợp dextrin thêm nhiều αamylase, để thêm nữa, nhiệt độ khoảng 90oC 11 Nếu glucose HFCS sản phẩm cuối mong muốn, sau hỗn hợp phản ứng s9em thủy phân DE (dextrose tương đương) giá trị từ 10 đến 15, DE định nghĩa tỉ lệ phần trăm việc giảm lượng với glucose, đường tinh bột có DE giá trị 100 gần không Không nên thủy phân để DE