KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NGÂM, NHIỆT ĐỘ Ủ VÀ THỜI GIAN Ủ ĐẾN HOẠT TÍNH CỦA ENZYME AMYLASE, HÀM LƯỢNG ĐƯỜNG KHỬ VÀ HÀM LƯỢNG TINH BỘT TRONG LÚA NẾP THAN NẨY MẦM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN HÓA HỌC ------ LƯƠNG TẨU NAM KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NGÂM, NHIỆT ĐỘ Ủ VÀ THỜI GIAN Ủ ĐẾN HOẠT TÍNH CỦA ENZYME AMYLA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BỘ MÔN HÓA HỌC

- -

LƯƠNG TẨU NAM

KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NGÂM, NHIỆT ĐỘ Ủ VÀ THỜI GIAN Ủ ĐẾN HOẠT TÍNH CỦA ENZYME AMYLASE, HÀM LƯỢNG ĐƯỜNG KHỬ VÀ

HÀM LƯỢNG TINH BỘT TRONG LÚA NẾP THAN NẨY MẦM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH: HÓA HỌC

2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BỘ MÔN HÓA HỌC

- -

LƯƠNG TẨU NAM

KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NGÂM, NHIỆT ĐỘ Ủ VÀ THỜI GIAN Ủ ĐẾN HOẠT TÍNH CỦA ENZYME AMYLASE, HÀM LƯỢNG ĐƯỜNG KHỬ VÀ

HÀM LƯỢNG TINH BỘT TRONG LÚA NẾP THAN NẨY MẦM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH: HÓA HỌC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS NHAN MINH TRÍ

2017

LỜI CẢM TẠ

Đề hoàn thành luận văn tốt nghiệp, ngoài sự cố gắng nổ lực của bản thân còn

có sự động viên, giúp đỡ của gia đình, thầy cô, bạn bè và mọi người xung quanh Tôi xin chân thành biết ơn:

Cảm ơn ba mẹ đã tần tạo, một nắng hai sương lo lắng cho con ăn học đến hôm nay

Em xin chân thành cám ơn thầy Nhan Minh Trí, đã giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn Mặc dù bận rộn với công việc giảng dạy và nghiên cứu, nhưng thầy luôn nhiệt tình hướng dẫn, động viên, chỉ dạy tận tình cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn Chính sự nhiệt tình, thân thiện của thầy đã tiếp thêm động lực cho em hoàn thành đề tài này tốt hơn

Tiếp theo, em xin cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Hóa học và toàn thể giảng viên trường Đại học Cần Thơ đã tận tình dạy bảo, truyền đạt cho em nhiều kiến thức chuyên môn cũng như kiến thức xã hội Đây là hành trang quý báu cho em trong quá trình làm việc và học tập sau này

Bên cạnh đó, xin cảm ơn cán bộ phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ thực phẩm đã hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài tốt nghiệp Đồng thời cảm ơn các bạn sinh viên ngành Hóa học và Công nghệ thưc phẩm

đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến và động viên tôi trong thời gian qua

Do kiến thức và thời gian thực hiện đề tài có hạn nên phần trình bày của em còn nhiều hạn chế và không tránh khỏi sai sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến

từ quý thầy cô để luận văn của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cám ơn!

Cần Thơ, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực hiện

(Ký tên)

Lương Tẩu Nam

TÓM TẮT

Lúa nếp than là loại ngũ cốc chứa nhiều thành phần dinh dưỡng, khoáng và đặc biệt là chất chống oxy hóa anthocyanin Hàm lượng anthocyanin rất cao cùng với khả năng chống oxy hóa vượt trội của anthocyanin trong nguyên liệu nếp than giúp ngăn chặn tác động nguy hại của các gốc tự do, lúa nếp than còn chứa nhiều cấu tử tạo hương thơm đặc trưng, hấp dẫn so với các loại gạo khác Ngoài ra, nguồn enzyme amylase trong lúa nếp than còn có thể ứng dụng nhiều trong công nghệ thực phẩm tạo ra nhiều sản phẩm chất lượng hơn như: malt lúa nếp than, rượu nếp than, bánh mì nếp than, kem và bột gạo nếp than

Do quá trình nẩy mầm của lúa nếp than rất quan trọng cho việc tạo ra những sản phẩm chất lượng, nhưng hiện nay quá trình này vẫn chưa được nghiên cứu nhiều Chính vì vậy mà đề tài “Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian ngâm, nhiệt

độ ủ và thời gian ủ đến hoạt tính của enzyme amylase, hàm lượng đường khử và hàm lượng tinh bột trong lúa nếp than nẩy mầm” được thực hiện trên cơ sở khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm (1 ngày, 2 ngày, 3 ngày, 4 ngày), thời gian ủ (1 ngày, 2 ngày, 3 ngày, 4 ngày) và nhiệt độ ủ (28oC, 35oC, 40oC) đến độ ẩm của hạt sau khi ngâm và sau khi ủ Hoạt tính enzyme amylase, hàm lượng đường khử và hàm lượng tinh bột trong malt khô (hạt nẩy mầm khô)

Kết quả thực nghiệm cho thấy, lúa nếp than sau khi được ngâm 2 ngày và ủ 3 ngày ở nhiệt độ phòng, malt khô có hoạt tính enzyme amylase cao nhất 285,39 UI/g, hàm lượng đường khử là 6,45 mg/g và hàm lượng tinh bột là 72,30% Tiếp theo, lúa nếp than sau khi được ngâm 2 ngày và ủ 2 ngày ở 40oC, hạt nẩy mầm khô (malt khô) có hoạt tính enzyme amylase cao nhất 288,56 UI/g, hàm lượng đường khử là 10,03 mg/g và hàm lượng tinh bột là 70,85%

Trường Đại Học Cần Thơ Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Bộ môn Hóa học ­­­­­­­­­­­­

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 Cán bộ hướng dẫn: TS Nhan Minh Trí 2 Tên đề bài: “Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian ngâm, nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến hoạt tính của enzyme amylase, hàm lượng đường khử và hàm lượng tinh bột trong lúa nếp than nẩy mầm” 3 Sinh viên thực hiện: Lương Tẩu Nam MSSV: B1304069 Lớp Cử nhân Hóa học 4 Nội dung nhận xét:

a) Nhận xét về hình thức của luận văn tốt nghiệp:

b) Nhận xét nội dung của luận văn tốt nghiệp (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):

* Những vấn đề còn hạn chế:

c) Nhận xét đối với sinh viên thực hiện đề tài:

d) Đề nghị và điểm:

Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2017 Cán bộ phản biện -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin can đoan luận văn này được hoàn thành dựa trên kết các kết quả nghiên cứu của tôi và kết quả của nghiên cứu này chưa được dùng cho bất cứ luận văn cùng cấp nào khác

Cần Thơ, ngày tháng năm 2017 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện (Ký tên) (Ký tên)

TS Nhan Minh Trí Lương Tẩu Nam

MỤC LỤC

LỜI CẢM TẠ i

TÓM TẮT ii

LỜI CAM ĐOAN iiv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH BẢNG vii

DANH SÁCH HÌNH viii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Giới thiệu chung về lúa nếp than 3

2.1.1 Nguồn gốc, phân bố, đặt điểm của lúa nếp than 3

2.1.2 Cấu trúc hạt lúa 4

2.1.3 Thành phần và đặc tính 5

2.1.4 Hoạt chất và công dụng của nếp than 10

2.2 Tổng quan về lúa nẩy mầm 13

2.2.1 Sự nẩy mầm 13

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nẩy mầm 14

2.2.3 Những biến đổi xảy ra trong quá trình nẩy mầm 15

2.3 Giới thiệu chung về enzyme amylase 19

2.3.1 Enzyme amylase 19

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme 26

2.3.3 Ứng dụng của enzyme amylase 28

2.4 Các nghiên cứu liên quan 31

2.4.1 Các nghiên cứu trong nước 31

2.4.2 Các nghiên cứu nước ngoài 32

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

3.1 Phương tiện và phương pháp thí nghiệm 33

3.1.1 Thời gian và địa điểm 33

3.1.2 Nguyên liệu 33

3.1.3 Hóa chất 33

3.1.4 Dụng cụ, thiết bị 34

3.2 Phương pháp thí nghiệm 34

3.2.1 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu cơ bản 34

3.2.2 Phương pháp xử lí số liệu 41

3.2.3 Quy trình nẩy mầm lúa nếp than 42

3.3 Bố trí thí nghiệm 45

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến hoạt tính của enzyme amylase, hàm lượng đường khử và hàm lượng tinh bột trong lúa nếp than nẩy mầm 45

3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến hoạt tính của enzyme amylase, hàm lượng đường khử và hàm lượng tinh bột trong lúa nếp than nẩy mầm 47

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50

4.1 Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ ẩm của hạt sau khi ngâm và sau khi ủ, hoạt tính của enzyme amylase, hàm lượng đường khử và hàm lượng tinh bột trong malt khô (hạt nẩy mầm khô) 50

4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến độ ẩm của hạt sau khi ủ, hoạt tính của enzyme amylase, hàm lượng đường khử và hàm lượng tinh bột trong malt khô (hạt nẩy mầm khô) 58

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 71

5.1 Kết luận 71

5.2 Đề nghị 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 77

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần dinh dưỡng của nếp than, nếp thường và gạo tẻ 8 Bảng 2.2 Thành phần dinh dưỡng trong nếp than mầm và gạo thường (tính trên 150g) 9 Bảng 2.3 Thành phần Vitamins và khoáng chất trong nếp than nảy mầm và gạo thường (tính trên 150 g) 9 Bảng 2.4 Đặc điểm của α-amylase được trích ly từ các nguồn khác nhau 23 Bảng 2.5 Các đặc tính kỹ thuật của enzyme glucoamylase được trích ly từ các loại nấm mốc khác nhau 26 Bảng 3.1 Hoạt độ dự kiến của chế phẩm enzyme amylase 36 Bảng 3.2 Thể tích các dung dịch glucose và thuốc thử DNS cho vào mỗi ống nghiệm 38 Bảng 4.1 Trung bình bình phương độ ẩm sau ngâm, độ ẩm sau ủ, hoạt tính enzyme amylase, hàm lượng đường khử và hàm lượng tinh bột theo thời gian ngâm 51 Bảng 4.2 Trung bình độ ẩm sau ngâm và độ ẩm sau ủ theo thời gian ngâm 51 Bảng 4.3 Trung bình hàm lượng đường khử, hàm lượng tinh bột và hoạt tính enzyme amylase theo thời gian ngâm khác nhau 52 Bảng 4.4 Hệ số tương quan (r) giữa nhân tố thời gian ngâm với các chỉ tiêu theo dõi 57 Bảng 4.5 Trung bình bình phương độ ẩm sau ủ, hàm lượng đường khử, hàm lượng tinh bột và hoạt tính enzyme amylase theo nhiệt độ ủ và thời gian ủ 60 Bảng 4.6 Phần trăm ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến sự thay đổi độ ẩm sau ủ, hàm lượng đường khử, hàm lượng tinh bột và hoạt tính enzyme amylase 61 Bảng 4.7 Trung bình độ ẩm sau ủ, hàm lượng đường khử, hàm lượng tinh bột và hoạt tính enzyme amylase ở các nhiệt độ ủ khác nhau 62

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 Cánh đồng lúa nếp than 3

Hình 2.2 Cấu trúc của hạt lúa 4

Hình 2.3 Cấu trúc của Amylose và Amylopectin 7

Hình 2.4 Công thức cấu tạo của Anthocyanin 10

Hình 2.5 Công thức cấu tạo của GABA 11

Hình 2.6 Các hợp chất của gamma-oryzanol 12

Hình 2.7 Quá trình thủy phân tinh bột của các enzyme amylase 16

Hình 2.8 Công thức cấu tạo của 2-acety-1-pyrroline 18

Hình 2.9 Các loại enzyme exoamylase và endoamylase 20

Hình 3.1 Lúa nếp than mua tại tỉnh Sóc Trăng 33

Hình 3.2 Phương trình phản ứng tạo màu giữa đường khử 37

Hình 3.3 Đồ thị đường chuẩn glucose 39

Hình 3.4 Dãy màu chuẩn dung dịch glucose với thuốc thử DNS 39

Hình 3.5 Phản ứng thủy phân tinh bột thành đường glucose 40

Hình 3.6 Quy trình nẩy mầm lúa nếp than 42

Hình 3.7 Ngâm lúa nếp than 43

Hình 3.8 Ủ nẩy mầm lúa nếp than 44

Hình 3.9 Sấy lúa nếp than sau khi nẩy mầm 44

Hình 3.10 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 1 45

Hình 3.11 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 2 48

Hình 4.1 Lúa nếp than sau khi được ngâm ở các thời gian khác nhau và ủ 3 ngày ở 28oC 51

Hình 4.2 Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến độ ẩm của hạt sau khi ngâm 53

Hình 4.3 Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến hoạt tính enzyme amylase 54

Hình 4.4 Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến hàm lượng đường khử 55

Hình 4.5 Sự ảnh hưởng của thời gian ngâm đến hàm lượng tinh bột 56

Hình 4.6 lúa nếp than ủ nẩy mầm ở 28oC theo các thời gian ủ khác nhau 58

Hình 4.7 lúa nếp than ủ nẩy mầm ở 35oC theo các thời gian ủ khác nhau 59

Hình 4.8 lúa nếp than ủ nẩy mầm ở 40oC theo các thời gian ủ khác nhau 59

Hình 4.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến độ ẩm của hạt sau khi ủ 64 Hình 4.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ đến hàm lượng đường khử 65 Hình 4.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến hàm lượng tinh bột 66 Hình 4.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến hoạt tính enzyme amylase 67 Hình 4.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến hoạt tính enzyme amylase trong malt khô 68 Hình 4.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến hoạt tính enzyme amylase trong malt khô 68 Hình 5.1 Quy trình nẩy mầm lúa nếp than 72

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Ngũ cốc là nguồn cung cấp năng lượng dồi dào cho cơ thể và đặc biệt là các loại ngũ cốc có màu sẽ làm tăng lên giá trị dinh dưỡng, cũng như những lợi ích cho sức khỏe con người mà chúng đem lại Trong đó lúa nếp than là loại ngũ cốc vỏ ngoài có màu nâu đen, có hương vị đặc biệt hấp dẫn, khác hẳn với nhiều loại lúa nếp thường khác

Lúa nếp than là nguồn lúa nếp địa phương có phẩm chất gạo tốt, chất lượng cao, là loại thực phẩm giàu dinh dưỡng chứa khoảng 75% tinh bột, 7,4% protein, 0,8% chất béo, giàu lysine, vitamin B1, sắt, kẽm, canxi và lân.Các chất dinh dưỡng đặc biệt trong gạo nếp than như xơ, protein, vitamin B1, khoáng chất (Ca, P, Fe )…, cao hơn nhiều hơn so với gạo bình thường từ 20 - 50% và hoàn toàn có lợi cho sức khỏe con người (Gu Defa, 2006) Hoạt tính chống oxy hóa của dịch trích ly từ gạo nếp than mầm cao hơn 1,3 - 1,6 lần so với gạo thường (Duangkamol Luemchan, 2006) Lúa nếp than nẩy mầm chứa hàm lượng cao các vitamin, khoáng chất, gamma-amino-butyric acid, phytate có tác dụng ngừa ung thư đường ruột (Karladee and Suriyong, 2012)

Trong quá trình nẩy mầm lúa nếp than hoạt tính enzyme amylase sẽ tăng lên, mục đích của quá trình nẩy mầm là tạo ra được hệ enzyme hoàn chỉnh, hoạt hóa enzyme amylase có khả năng đường hóa tinh bột dự trữ trong nội nhũ, tấn công làm thay đổi khả năng thẩm thấu màng tế bào của nội nhũ (Hoàng Đình Hòa, 2002)

Từ đó, hạt nẩy mầm có thể được sử dụng trong việc chế biến các loại thực phẩm nhằm tạo ra các sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao như: cháo nếp than, gạo nếp than rang, sữa chua nếp than, kem nếp than, bột gạo nếp than và rượu vang nếp than Hoạt tính enzyme amylase ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình chế biến sản phẩm, hoạt tính enzyme cao quá trình đường hóa sẽ diễn ra nhanh và hạn chế được lượng chế phẩm enzyme bổ sung vào Từ đó rút ngắn thời gian, giảm chi phí cho quá trình sản xuất, đảm bảo chất lượng và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm Tuy nhiên, để có được hoạt tính enzyme amyalse cao quá trình nẩy mầm của hạt có ảnh hưởng rất nhiều, vì trong quá trình nẩy mầm những điều kiện về thời gian ngâm, thời gian ủ và nhiệt độ ủ là những nhân tố quyết định Đầu tiên, thời gian ngâm phải đủ để hạt hút đủ nước đạt độ ẩm tốt nhất cho quá trình nẩy mầm, nhưng nếu ngâm quá lâu hạt hút nhiều nước, các chất dinh dưỡng hòa tan và khuyếch tán ra ngoài môi trường làm tiêu hao chất dự trữ trong phôi nhũ, đồng thời

làm cho nước ngâm bị chua, hạt bị thối và nẩy mầm yếu (Hoàng Đình Hòa, 2002) Còn đối với thời gian ủ và nhiệt độ ủ là 2 nhân tố gắn liền với nhau trong quá trình nẩy mầm Thời gian ủ không được quá lâu sẽ dẫn đến hao hụt chất khô nhiều không

có lợi cho quá trình chế biến sau này Về nhiệt độ ủ, nẩy mầm là một quá trình phức tạp gồm nhiều phản ứng và giai đoạn đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao quá trình nẩy mầm của hạt sẽ bị ngăn chặn Từ đó, có thể thấy được tầm quan trọng của thời gian ngâm, thời gian ủ và nhiệt độ ủ trong quá trình nẩy mầm

Nhằm tạo điều kiện phát triển các sản phẩm có lợi từ nguồn nguyên liệu lúa nếp than và góp phần nâng cao giá trị thương phẩm ngành lúa gạo Việt Nam, từ

những lý do trên cho thấy cần thực hiện đề tài “Khảo sát sự ảnh hưởng của thời

gian ngâm, nhiệt độ ủ và thời gian ủ đến hoạt tính của enzyme amylase, hàm lượng đường khử và hàm lượng tinh bột trong lúa nếp than nẩy mầm”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài: Tìm ra được điều kiện tối ưu nhất trong quá trình ngâm

và quá trình ủ nẩy mầm lúa nếp than để hoạt tính enzyme amylase là cao nhất

1.3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:

- Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian ngâm đến hoạt tính của enzyme amylase, hàm lượng đường khử và hàm lượng tinh bột trong lúa nếp than nẩy mầm

- Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian ủ và nhiệt độ ủ đến hoạt tính của enzyme amylase, hàm lượng đường khử và hàm lượng tinh bột trong lúa nếp than nẩy mầm

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Giới thiệu chung về lúa nếp than

2.1.1 Nguồn gốc, phân bố, đặt điểm của lúa nếp than

Nếp than là giống lúa cổ truyền của Việt Nam, là giống lúa được trồng chủ yếu ở Hòa Bình, Sơn La, Điện Biên, Lai Châu, Phú Thọ, Ninh Bình, Thanh Hóa, ở miền Tây Nam Bộ vùng đồng bằng sông Cửu Long Tuy nhiên, giống lúa này có năng suất thấp và chỉ trồng duy nhất một mùa trong năm nên chưa đáp ứng được nhu cầu xã hội ngày càng cao hiện nay Lúa nếp than là một trong các loại lúa gạo

có vỏ trấu màu nâu đen, phần hạt gạo sau khi bóc tách vỏ sẽ thấy màu tím đen

Hình 2.1 Cánh đồng lúa nếp than

(Nguồn: https://hoangkimlong.wordpress.com)

2.1.2 Cấu trúc hạt lúa

2.1.2.1 Vỏ lúa

Vỏ lúa gồm 2 vỏ trấu ghép lại (trấu lớn và trấu nhỏ) Ở gốc 2 vỏ trấu chỗ gắn vào đế hoa có mang 2 tiểu dĩnh Vỏ trấu chiếm khoảng 16 - 28% khối lượng toàn hạt Sự phân bố trọng lượng của gạo lức là vỏ quả chiếm 1 - 2%, lớp aleuron cộng với phôi tâm và vỏ hạt chiếm 4 - 6%, phôi 1%, vảy nhỏ 2% và nội nhũ 90 - 91%

2.1.2.2 Hạt gạo

Bên trong vỏ lúa là hạt gạo Hạt gạo gồm 2 phần:

- Phần phôi hay mầm: nằm ở góc dưới hạt gạo, chổ đính vào đế hoa, ở về phía mảnh vỏ trấu lớn

- Phôi nhũ: chiếm phần lớn hạt gạo chứa chất dự trữ, chủ yếu là tinh bột (phần gạo chúng ta ăn hàng ngày)

Bên ngoài hạt gạo được bao bọc bởi một lớp vỏ lụa mỏng chứa nhiều vitamin, nhất là vitamin nhóm B Khi xay xát lớp nầy tróc ra thành cám mịn

Hình 2.2 Cấu trúc của hạt lúa

(Nguồn: https://www.flickr.com)

2.1.3 Thành phần và đặc tính

2.1.3.1 Carbohydrate

Carbohydrate của gạo chủ yếu là tinh bột cùng với một lượng nhỏ pentosan, hemicellulose và đường Tinh bột chiếm khoảng 85 - 90% lượng các chất rắn Tinh bột gồm có hai thành phần là amylose và amylopectin Tuy nhiên, gạo dẻo (nếp) chứa ít hoặc không chứa amylose Đường chiếm khoảng 0,3 - 0,5% trong gạo trắng

và khoảng 0,6 - 1,4% trong gạo tách vỏ trấu (gạo lức) Đường tự do chủ yếu là saccharose cùng với một lượng nhỏ glucose và fructose

2.1.3.2 Protein

Hàm lượng protein chịu ảnh hưởng lớn bởi giống và điều kiện môi trường, bởi mùa vụ và phân đạm Có sự khác biệt khoảng 4% trong hàm lượng protein của cùng một loại gạo trồng ở các mùa vụ khác nhau Hầu hết protein trong gạo là loại tan trong kiềm (glutelin)

2.1.3.3 Lipid

Lipid tập trung chủ yếu trong cám và phôi Độ ổn định của lipid từ gạo là do các chất chống oxy hóa mà chủ yếu là tocopherol Trong một nghiên cứu cho thấy dầu cám gạo thô chứa 0,044% tổng lượng tocopherol, trong đó 0,026% là α-tocopherol Trong gạo cũng có chứa một loại tocopherol lạ, đó là η-tocopherol Nghiên cứu xa hơn cho thấy có sự hiện diện của 4 tocol đã được methyl hóa và 4 loại tocotrienol liên quan và từ đó xác định được η-tocopherol của lipid gạo là 7,8-dimethyl tocotrienol

2.1.3.4 Vitamin và khoáng chất

Gạo chứa ít hoặc không có vitamin A, vitamin C, vitamin D Thành phần vitamin chủ yếu là nhóm B, khoảng 81% thiamin trong hạt gạo là ở các lớp vỏ cám, 11% trong phôi và chỉ 8% trong nội nhũ Một báo cáo cho thấy tổng hàm lượng tro cũng như hàm lượng của từng chất khoáng cao nhất ở các lớp ngoài cùng và giảm dần về phía trong hạt

2.1.3.5 Acid amin

Hàm lượng acid amin tự do chiếm nhiều nhất là ở trong phôi, sau đó là đến cám và cuối cùng là ở trong nội nhũ

2.1.3.6 Tinh bột

Tinh bột là nhóm cacbohydrate ở thực vật, có chủ yếu trong các loại củ khoai lang, khoai tây, khoai mì , trong các hạt ngũ cốc và các loại hạt, có công thức tổng quát là (C6H10O5)n Hạt tinh bột có hình dạng rất khác nhau với kích thước từ

Tinh bột không tan trong nước lạnh, trong rượu và ether Amylose dễ tan trong nước nóng và tạo nên độ nhớt của dung dịch Amylopectin khi hòa tan trong nước nóng tạo dung dịch rất nhớt

Trong nước nóng tinh bột sẽ hút nước trương nở và tạo dạng gel Mức độ trương của tinh bột phụ thuộc vào nhiệt độ Khi tăng dần nhiệt độ, dịch tinh bột sẽ biến thành dạng keo và gọi là hồ tinh bột Nhiệt độ làm cho hồ tinh bột có độ nhớt cực đại gọi là nhiệt độ hồ hóa của tinh bột

Amylose: có cấu tạo chuỗi không phân nhánh, mạch thẳng cấu tạo từ các gốc α-D-glucopyranosyl, liên kết với nhau bởi gốc α-1,4 glucoside, dài khoảng 300 -

1000 gốc glucose, xoắn theo chiều lò xo mỗi xoắn có 6 gốc glucose tạo thành hình lục giác Cấu trúc xoắn được giữ vững nhờ các liên kết hydro được tạo thành giữa các nhóm OH tự do Bên trong xoắn có thể kết hợp với các nguyên tử khác Cùng với amylopectin, các phân tử amylose tham gia tạo nên cấu hình hạt tinh bột của thực vật Ví dụ amylose tạo thành màu xanh khi tác dụng với iodine, nếu đun nóng liên kết hydro bị cắt đứt, chuỗi amylose bị duỗi thẳng iodine bị tách ra khỏi amylose dung dịch mất màu xanh

Amylose thường phân bố ở phần bên trong của hạt tinh bột Dung dịch amylose có độ nhớt thấp hơn dung dịch amylopectin Amylose bị kết tủa bởi ancol butylic

Amylopectin: là một polymer mạch nhánh, được cấu tạo từ các gốc glucopyranosyl liên kết với nhau bởi α-1,4 và α-1,6 glucoside Mức độ polymer hóa từ amylopectin có thể lên đến giá trị hàng triệu Cấu trúc phân mạch của nó

α-D-bao gồm một nhánh trung tâm (chứa liên kết 1-4) từ nhánh này phát ra các nhánh phụ có chiều dài khoảng vài chục gốc glucose Khối lượng phân tử của amylopectin khoảng 500.000 - 1 triệu Da Amylopectin được phân bố ở mặt ngoài hạt tinh bột Dung dịch amylopectin có độ nhớt cao, khi đun nóng làm thay đổi sâu sắc và không thuận nghịch cấu trúc phân tử amylopectin gây ra trạng thái hồ hóa tinh bột Tinh bột có thể bị thủy phân dưới tác dụng của enzyme amylase hoặc acid tạo thành các sản phẩm có khối lượng phân tử thấp hơn gọi là dextrin Các dextrin này có thể bị thủy phân hoàn toàn tạo thành các gốc glucose Như vậy sản phẩm thủy phân hoàn toàn tinh bột là glucose tuy nhiên ở những điều kiện xác định, dưới tác dụng của enzyme amylase mantose lại là sản phẩm chủ yếu trong sản phẩm thủy phân tinh bột

Hình 2.3 Cấu trúc của Amylose và Amylopectin

(Nguồn: https://vn.123rf.com)

Bảng 2.1 Thành phần dinh dưỡng của nếp than, nếp thường và gạo tẻ

Thành phần dinh dưỡng

Bảng 2.2 Thành phần dinh dưỡng trong nếp than mầm và gạo thường (tính trên

2.1.4 Hoạt chất và công dụng của nếp than

Trong thực vật: Anthocyanin được ứng dụng trong việc sản xuất hạt hoặc củ

giống có màu (lúa, các loại đậu ) Dựa vào màu sắc, có thể đánh giá được chất lượng của nông sản phục vụ cho thu hoạch hoặc chế biến Bên cạnh đó, màu sắc hấp dẫn của nông sản cũng có ý nghĩa trong việc thụ phấn hoặc phát tán hạt giống thông qua động vật hoặc côn trùng

Trong công nghiệp thực phẩm: Màu sắc có một ý nghĩa quan trọng trong sản

xuất các sản phẩm thực phẩm và đồ uống Thông qua việc chiết xuất nguồn anthocyanin từ tự nhiên, con người sử dụng để thay thế các loại màu tổng hợp

Trong dinh dưỡng người: Anthocyanin không độc hại và không gây đột biến

gen nên được sử dụng rộng rãi trong khẩu phần ăn của con người như là thành phần thực phẩm chức năng Anthocyanin cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc phòng và hỗ trợ điều trị các bệnh về mắt, bệnh ung thư, bệnh tim phổi, chống lão hóa và bệnh xơ cứng động mạch

2.1.4.2 Gamma amino butyric acid (GABA)

GABA được tổng hợp từ glutamic acid bởi enzyme glutamate decarboxylase (GAD) Hoạt động của enzyme GAD có liên quan rất lớn đến quá trình nảy mầm của hạt gạo lức

GABA là một acid amin không protein bốn carbon, được tạo ra chủ yếu bởi các phản ứng khử carboxyl của glutamic acid, được xúc tác bởi các enzyme decarboxylase glutamate trong quá trình nảy mầm của gạo (Karladee and Suriyong, 2012)

GABA trong gạo lức có khả năng ức chế sự phát triển tế bào ung thư bạch cầu và các tế bào ung thư khác GABA đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thần kinh trung ương như một dẫn truyền thần kinh, giúp hạ thấp huyết áp ở não con người Nó làm giảm tăng huyết áp, thúc đẩy cơn buồn ngủ và đem lại lợi ích cho sức khỏe con người Tại Nhật bản, GABA tinh chế được sử dụng như thuốc cải thiện huyết áp

Hình 2.5 Công thức cấu tạo của GABA

(Nguồn: http://gaomam.com)

2.1.4.3 Gamma-Oryzanol

- Giúp duy trì một mức độ cao testosteron ở nam giới

- Cải thiện các rối loạn trong thời kì mãn kinh ở phụ nữ

- Làm giảm cholesterol huyết tương

- Kích thích sản xuất insulin

- Kích thích sự hoạt động của Endorphins

- Giúp phát triển mô cơ nạc

Hợp chất phenol rất dễ bị oxy hóa trong các điều kiện khác nhau: chúng có thể bị oxy hóa bình thường trong môi trường không khí ẩm, phản ứng được tăng cường trong môi trường kiềm Enzyme polyphenoloxidase có thể tồn tại ở hai dạng

tự do và liên kết Trong gạo polyphenol tồn tại ở dạng acid hydroxycianin, nhạy cảm với oxy và pH, tan trong nước

Polyphenol bảo vệ thực vật khỏi tác hại của vi sinh vật, sự oxy hóa của tia cực tím Về y học, polyphenol là một trong những hoạt chất tự nhiên có nhiều tác dụng như chống oxy hóa, kháng viên, kháng khuẩn, chống dị ứng và chống lão hóa cho con người

2.2 Tổng quan về lúa nẩy mầm

2.2.1 Sự nẩy mầm

Hạt lúa trong khi bảo quản vẫn còn chứa một lượng nước nhất định từ 12 14% trọng lượng khô Khi ngâm trong nước, hạt hút nước và trương lên, ẩm độ trong hạt gia tăng đến 25% thì có thể nẩy mầm được Khi ấy tinh bột trong phôi nhũ nhờ enzyme amylase phân giải thành những chất đơn giản cung cấp năng lượng

-và chất dinh dưỡng cho mầm phát triển

Các enzyme thủy phân tinh bột trong hạt lúa chủ yếu là amylase mà chủ yếu

là α-amylase và β-amylase, quá trình nẩy mầm của hạt lúa 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 lúa trước khi ngâm không có hoạt lực của enzyme α-amylase, khi hạt trải qua 3 - 4 ngày trong giai đoạn nảy mầm thì hoạt lực enzmye amylase đạt tới mức cực đại, sau đó giảm xuống Thời gian hút nước nhanh hay chậm tùy theo hạt giống cũ hay mới, vỏ trấu mỏng hay dày, nhiệt độ nước ngâm cao hay thấp Nói chung, nhiệt độ không khí cao, nước ấm, hạt giống cũ hay vỏ hạt mỏng dễ thấm nước thì hạt hút nước nhanh, mau đạt tới ẩm độ cần thiết

Ngâm quá lâu, hạt hút nhiều nước, các chất dinh dưỡng hòa tan và khuyếch tán ra ngoài môi trường làm tiêu hao chất dự trữ trong phôi nhũ, đồng thời làm cho nước ngâm bị chua, hạt bị thối và nẩy mầm yếu

Hàm lượng nước trong hạt thích hợp cho quá trình nẩy mầm biến thiên từ 30

- 40% tùy điều kiện nhiệt độ Nhiệt độ thích hợp cho hạt lúa nẩy mầm từ 27 - 37oC, nhiệt độ thấp hoặc cao hơn khoảng nhiệt độ này, hạt lúa sẽ nẩy mầm yếu và thời gian nẩy mầm kéo dài

So với nhiều hạt giống khác thì hạt lúa nẩy mầm cần ít oxy hơn Trong điều kiện bình thường, sau khi mầm hạt phá vở vỏ trấu thì rễ mầm sẽ mọc ra trước, rồi mới đến thân mầm Tuy nhiên, nếu bị ngập nước (môi trường yếm khí) thì thân mầm sẽ phát triển trước Khi lá đầu tiên xuất hiện, thì các rễ thứ cấp sẽ bắt đầu xuất hiện để giúp cây lúa bám chặt vào đất, hút nước và chất dinh dưỡng (Nguyễn Ngọc

Đệ, 2008)

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nẩy mầm

2.2.2.1 Khả năng sống của hạt

Quá trình nẩy mầm và phát triển của hạt mầm có thể được xem là gồm một

số bước liên tiếp nhau làm cho hạt tăng dần hoạt tính trao đổi chất và từ đó dẫn đến hình thành mầm từ phôi Hạt có thể giữ được khả năng sống này trong một thời gian dài từ khi chúng bắt đầu chống chọi với các điều kiện khắc nghiệt bên ngoài Khả năng sống của hạt được giữ lại tốt nhất là ở các điều kiện tồn trữ mà giúp cho hoạt tính trao đổi chất của hạt diễn ra chậm như nhiệt độ thấp, độ ẩm thấp và nồng

độ CO2 cao

2.2.2.2 Hấp thụ nước

Giai đoạn đầu tiên xảy ra trong quá trình nẩy mầm là sự hấp thu nước của hạt

mà chủ yếu bị ảnh hưởng bởi khả năng thẩm thấu của lớp vỏ hạt Tuy nhiên, thành phần của hạt, hàm lượng nước ngâm cũng như nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp thu Quá trình hấp thu này không liên quan đến khả năng sống của hạt, nó xảy ra ở cả hạt còn sống và hạt đã chết Sự hấp thu nước dẫn đến làm tăng đáng kể áp suất, điều này rất quan trọng trong quá trình nẩy mầm và phát triển của mầm hạt bởi vì nó giúp làm nứt vỡ lớp vỏ hạt Khả năng hấp thu nước của hạt sẽ giảm khi nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch ngâm tăng lên do tác dụng thẩm thấu Thành phần chủ yếu hấp thu nước là protein Protein mang cả hai điện tích âm (-) và dương (+) nên dễ dàng hút các phân tử nước phân cực mạnh Ngược lại, tinh bột có ái lực rất yếu với nước trong khi lipid hoàn toàn không có ái lực với nước

2.2.2.3 Nhiệt độ

Nẩy mầm là một quá trình phức tạp gồm nhiều phản ứng và giai đoạn mà mỗi phản ứng và giai đoạn này đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Nhiệt độ mà khi đó hạt bắt đầu nẩy mầm khác nhau tùy theo giống, nguồn gốc hạt và cả tuổi của hạt Ở nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao thì quá trình nẩy mầm của hạt sẽ bị ngăn chặn Đối với gạo, nhiệt độ tối thiểu là 10 - 12oC, nhiệt độ tối ưu là 30- 37oC và nhiệt độ tối

đa là 40- 42oC

2.2.2.4 Điều kiện không khí

Quá trình nẩy mầm bị ảnh hưởng bởi thành phần không khí xung quanh Hầu hết hạt nẩy mầm trong môi trường không khí chứa 20% O2 và 0,03% CO2 đây là điều kiện bình thường của khí quyển Tuy nhiên, hạt sẽ nẩy mầm mạnh hơn khi nồng độ oxy tăng trên mức 20%, bởi vì quá trình nẩy mầm đòi hỏi phải sử dụng năng lượng và hầu hết các quá trình cần năng lượng thường là các quá trình oxy hóa Ngược lại, CO2 ức chế quá trình nẩy mầm Hầu hết hạt không nẩy mầm được khi nồng độ CO2 tăng quá cao

2.2.2.5 Ánh sáng

Trong quá trình ủ nẩy mầm, người ta cũng hạn chế ánh sáng vì ánh sáng làm tăng hoạt động của diệp lục tố, phát triển thân lá làm hao tổn chất khô và làm giảm hoạt động của enzyme

2.2.2.6 Các chất ức chế quá trình nảy mầm

Thuốc diệt cỏ và thuốc diệt côn trùng có thể ức chế nẩy mầm, cũng như các hóa chất dùng để bảo quản hạt Do đó, nên dùng loại hạt không qua xử lý để thực hiện nẩy mầm

2.2.3 Những biến đổi xảy ra trong quá trình nẩy mầm

Acid gibberelic là một hormon thực vật có tác dụng điều chỉnh sự phát triển

ở thực vật và có ảnh hưởng tới một loạt các quá trình phát triển như làm cho thân dài ra, nẩy mầm, ngủ, ra hoa, biểu hiện gen, kích thích enzyme và tình trạng già yếu của lá cũng như quả.

NaOH được dùng trong quá trình xử lý hạt trước khi ngâm, nhằm mục đích loại bỏ các tạp chất hóa học còn nằm trên vỏ trấu.

Acid nitric được dùng trong quá trình ngâm hạt, mục đích là kích thích phôi hạt thúc đẩy quá trình nẩy mầm

2.2.3.1 Quá trình sinh lý

Hạt nẩy mầm tiếp tục hô hấp để duy trì sự sống Quá trình hô hấp tăng mạnh hơn so với hạt khi chưa ngâm nước, nhu cầu oxy tăng lên, phần lớn lượng oxy để oxy hóa các chất dự trữ tạo ra năng lượng cần thiết cho các hệ enzyme hoạt động Đồng thời diễn ra sự tổng hợp các chất cần thiết cho mầm phát triển

2.2.3.2 Quá trình sinh hóa

Đặc trưng nhất của biến đổi sinh hoá trong khi nẩy mầm là sự tăng đột ngột hoạt động thủy phân trong hạt Các hợp chất dự trữ dưới dạng các polymer bị phân giải thành các monomer phục vụ cho quá trình nẩy mầm Chính vì vậy mà các enzyme thủy phân được tổng hợp và hoạt tính tăng lên khi hạt phát động sinh trưởng

Kết quả là tinh bột bị thủy phân thành đường làm nguyên liệu cho hô hấp và hoạt tính protease tăng lên mạnh hơn hoặc hạt chứa nhiều chất béo thì hoạt tính của lipase chiếm ưu thế

Ngoài ra các phản ứng tác dụng tương hỗ giữa các chất tạo thành sau khi thủy phân tạo thành các hợp chất thơm

Quá trình thủy phân tinh bột của enzyme amylase:

Hình 2.7 Quá trình thủy phân tinh bột của các enzyme amylase

2.2.3.3 Sự hình thành hoạt động của các hormon

Acid gibberellic, acid abscisic, auxin và cytokinin là các hormon sinh ra trong

quá trình phát triển và nẩy mầm của hạt Acid gibberelic được tạo ra ở phôi khuếch

tán vào trong lớp aleuron và gây nên sự tổng hợp và tiết ra các enzyme thủy phân

Acid abscisic đóng vai trò điều hòa trong quá trình nẩy mầm Cytokinin không

tham gia vào giai đoạn đầu nẩy mầm nhưng có lẽ chúng cần thiết cho sự phát triển

của các tế bào trong phôi Auxin ảnh hưởng đến vảy nhỏ

2.2.3.4 Sự hình thành hoạt động của enzyme

Các enzyme là thành phần sinh hóa quan trọng nhất hình thành trong quá trình

nẩy mầm và ảnh hưởng đến chất lượng mầm

a) Các enzyme phân giải cacbohydrate

Các enzyme phân hủy carbohydrate như α- và β-amylase, cellulase,

glucanase,… Cùng với quá trình nẩy mầm, các enzyme này hình thành từ từ, khi

quá trình nẩy mẩm xảy ra mạnh, các enzyme xâm nhập vào trong nội nhũ

α-amylase: enzyme này hoàn toàn không hoạt động ở hạt chín Hoạt tính của

enzyme amylase tăng dần trong quá trình nảy mầm của hạt Ở nhiệt độ 28 - 30oC,

hoạt tính của α-amylase đạt cực đại ở ngày thứ 5 - 8

β-amylase: enzyme β-amylase tồn tại ở dạng liên kết và một số ít hoạt động

rất yếu trong hạt chín hoàn toàn Hoạt động này tăng lên trong quá trình hạt nảy

mầm, thời gian để enzyme này đạt cực đại cũng tùy thuộc vào nhiệt độ

b) Các enzyme phân giải protein

Enzyme chủ yếu liên quan tới quá trình nẩy mầm là endopeptidase acid và

carboxypeptidase Endopeptidase nằm trong vỏ quả, vỏ hạt và lớp aleuron ở giai

đoạn đầu phát triển, sau đó giảm cùng với quá trình chín Chúng cũng có trong phôi

và nội nhũ Trong hạt đang nẩy mầm, hàm lượng enzyme tăng lên bởi sự thúc đẩy

của các hormon Chúng cắt các liên kết peptid bên trong tạo thành các peptid nhỏ

hơn Carboxypeptidase thủy phân protein và các peptid từ C cuối của acid amin

cuối cùng Khi nẩy mầm, các enzyme trong nội nhũ phần lớn nằm gần kề mô vảy

nhỏ của hạt

c) Các enzyme khác

Lipase có chủ yếu ở phần phôi và hoạt tính tăng trong quá trình nẩy mầm Ngoài lipase còn thấy phenoloxidase có sự tăng hoạt tính lên khoảng 33 lần Hoạt tính của peroxidase và catalase cũng tăng trong suốt quá trình nẩy mầm, chúng đóng vai trò trong các phản ứng oxy hóa ảnh hưởng đến sự phá hủy các sắc tố Enzyme phytase có mặt trong lớp aleuron và thực hiện thủy phân acid phytic trong nội nhũ

2.2.3.5 Quá trình hóa học

Từ sản phẩm thủy phân của 2 nhóm cơ chất protein và tinh bột là đường và acid amin, chúng tham gia phản ứng để tạo ra các chất màu và các hợp chất thơm cho sản phẩm trong đó có: 2-acety-1-pyrroline; (E,E)-deca-2,4-dienal; nonanal; hexanal; (E)-non-2-enal; actanal; decanal; 4-vinyl-guaiacol,

Trong đó có 2-acety-1-pyrroline là hợp chất thơm có mùi tương tự như mùi bắp nổ, được đánh giá là thành phần thơm quan trọng trong các giống lúa, do có đặc tính giữ mùi lâu hơn các hợp chất bay hơi trong gạo

Hình 2.8 Công thức cấu tạo của 2-acety-1-pyrroline

(Nguồn: http://www.wikipedia.ogr) Ngoài ra enzyme amylase còn tác dụng deamin hóa các acid amin, tạo thành các acid hữu cơ và nitơ Đồng thời chúng còn phá vỡ các liên kết amid (CO-NH) của các muối amid

Nhóm enzyme esteraza tham gia làm vỡ các liên kết ester giữa các hợp chất hữu cơ với nhau hoặc giữa các hợp chất hữu cơ và vô cơ

Lipase thủy phân ester của glycerin và một số loại rượu với các acid béo bậc cao

Phosphatase tách acid phosphoric ra khỏi những hợp chất hữu cơ có chứa phospho, tiêu biểu là amylophosphatase và bytase

Amylase thủy phân tinh bột, glycogen và dextrin thành glucose, maltose và dextrin hạn chế Các enzyme amylase có trong nước bọt (còn được gọi là ptyalin), trong dịch tiêu hóa của người và động vật, trong hạt nẩy mầm, nấm sợi, nấm men

và vi khuẩn Amylase của malt thủy phân tinh bột lúa mạch thành disaccharide làm

cơ chất cho quá trình lên men bởi nấm men

Amylase là một trong những loại enzyme được ứng dụng rông rãi nhất trong công nghiệp, y tế, và nhiều lĩnh vực kinh tế khác, đặt biệt là trong công nghệ thực phẩm (Nguyễn Đức lượng, 2004)

Exoamylase: Đây là những enzyme thủy phân tinh bột từ đầu không khử của chuỗi polysaccharide Nhóm này gồm có:

- β-amylase

- Amyloglucosidase (glucoamylase hay γ-amylase)

Hình 2.9 Các loại enzyme exoamylase và endoamylase

(Nguồn: Nguyễn Đức Lượng, 2004)

Sự khác biệt giữa các loại enzyme amylase:

Các loại enzyme amylase không chỉ khác nhau ở đặc tính mà còn khác nhau

ở pH hoạt động và tính ổn định với nhiệt

Tốc độ phản ứng của amylase phụ thuộc vào pH, nhiệt độ, mức độ polymer hóa của cơ chất Các enzyme amylase có nguồn gốc khác nhau sẽ có tính chất, cơ chế tác dụng và sản phẩm của quá trình thủy phân khác nhau

Amylase có nguồn gốc khác nhau sẽ có thành phần, tính chất, nhiệt độ hoạt dộng, pH tối ưu và các đặc điểm thủy phân khác nhau

2.3.1.2 Enzyme 𝛂-amylase (𝛂-1,4-glucanohydrolase)

a) Cấu tạo

Enzyme α-amylase là protein có phân tử lượng thấp, thường nằm trong khoảng 50.000 đến 60.000 Da Có một số trường hợp đặt biệt như α-amylase từ

loài vi khuẩn Bacillus macerans có phân tử lượng lên đến 130.000 Da Đến nay

người ta đã biết rất rõ các chuỗi acid amin của 18 loại α-amylase nhưng chỉ có 2

𝛽-amylase γ-amylase

Khử trực tiếp Dextrin-6-glucanhydrolase

và amylopectin-6-glucanhydrolase

Exoamylase

loại α-amylase là taka-amylase từ Apergillus orysee và α-amylase của tụy lợn được nghiên cứu kỹ về hình thể không gian cấu trúc bậc 3 Mới đây các nghiên cứu về tính đồng nhất của chuỗi mạch acid amin về vùng kị nước cho thấy các chuỗi mạch acid amin của tất cả các enzyme α-amylase đều có cấu trúc bậc 3 tương tự nhau

b) Cơ chế tác dụng của 𝛂-amylase

α-amylase từ các nguồn khác nhau có nhiều điểm rất giống nhau α-amylase

có khả năng phân cắt các liên kết α-1,4-glucoside nằm ở phía bên trong phân tử cơ chất (tinh bột hoặc glycogen) một cách ngẫu nhiên, không theo một trật tự nào cả α-amylase không chỉ thủy phân hồ tinh bột mà nó thủy phân cả hạt tinh bột với tốc

độ rất chậm

c) Quá trình thủy phân tinh bột bởi 𝛂-amylase là quá trình đa giai đoạn

Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): Chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp (α-dextrin), độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh (các amylose và amylopectin đều bị dịch hóa nhanh)

Sang giai đoạn 2 (giai đoạn đường hóa): Các dextrin phân tử thấp tạo thành

bị thủy phân tiếp tục tạo ra các tetra-trimaltose không cho màu với iodine Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi α-amylase cho tới disaccharide và monosaccharide Dưới tác dụng của α -amylase, amylose bị phân giải khá nhanh thành oligosaccharide gồm 6 - 7 gốc glucose ( vì vậy, người ta cho rằng α-amylase luôn phân cắt amylose thành từng đoạn 6 - 7 gốc glucopiranose)

Sau đó, các poliglucose này bị phân cắt tiếp tục tạo nên các mạch polyglucose colagen cứ ngắn dần và bị phân giải chậm đến maltotetrose, maltotriose và maltose Qua một thời gian tác dụng dài, sản phẩm thủy phân của amylose chứa 13% glucose

và 87% maltose Tác dụng của α-amylase lên amylopectin cũng xãy ra tương tự nhưng vì không phân cắt được liên kết α-1,6-glycoside Sản phẩm thủy phân của amylopectin ngoài các đường nói trên (72% maltose và 19% glucose) còn có dextrin phân tử thấp và isomaltose 8%

Tóm lại, dưới tác dụng của α -amylase, tinh bột có thể chuyển thành maltotetrose, maltose, glucose và dextrin phân tử thấp Tuy nhiên, thông thường α-amylase chỉ thủy phân tinh bột chủ yếu thành dextrin phân tử thấp không cho màu với Iodine và một ít maltose Khả năng dextrin hóa cao của α-amylase là tính chất đặc trưng của nó Vì vậy, người ta thường gọi loại enzyme này là amylase dextrin hóa hay amylase dịch hóa

d) Đặc tính của 𝛂-amylase

α-amylase từ các nguồn khác nhau có thành phần amino acid khác nhau, mỗi loại α-amylase có một tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng α-amylase là một protein giàu tyrosine, trytophan, acid glutamic và aspartic Các glutamic acid và aspartic acid chiếm khoảng ¼ tổng lượng amino acid cấu thành nên phân tử enzyme :

- α-amylase có ít methionine và có khoảng 7 - 10 gốc cysteine

- Trọng lượng phân tử của α-amylase nấm mốc: 45.000 - 50.000 Da

- Amylase dễ tan trong nước, trong dung dịch muối và rượu loãng

- Protein của các α-amylase có tính acid yếu và có tính chất của globuline

- Điểm đẳng điện nằm trong vùng pH = 4,2 - 5,7

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 và ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme, 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 hơn các enzyme khác Đặc tính này có lẽ liên quan đến hàm lượng Ca trong phân tử và nồng độ Mg2+ Tất cả các amylase đều bị kiềm hãm bởi các kim loại nặng như Cu2+, Ag2+, Hg2+ Một số kim loại như : Li+,

Na+, Cr3+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Sn2+, Cr3+ không có ảnh hưởng mấy đến α-amylase Một đặc điểm cần lưu ý là hầu hết α-amylase khá bền với tác động của protease như pepsin, trypsin, papain

Bảng 2.4 Đặc điểm của α-amylase được trích ly từ các nguồn khác nhau

Tối thích

Khoảng nhiệt độ tối thích (oC)

1 α-amylase

vi khuẩn Bacillus subtilis

4,5 - 9 (6,5 - 7,5)

70 - 80 (95)

3 α-amylase

nấm sợi

Aspergillus oryzae Aspergillus niger

3,5 - 6,5 4,5 - 7,0

70

85

(Nguồn: Nguyễn Đức Lượng, 2004)

2.3.1.3 Enzyme 𝛃-amylase (𝛃-1,4-glucan-maltohydrolase)

a) Cấu tạo

β-amylase hiện diện phổ biến ở thực vật, đặc biệt là hạt nẩy mầm Ở trong các hạt ngũ cốc nẩy mầm, β-amylase xúc tác sự thủy phân các liên kết 1,4 α-glucan trong tinh bột, glucogen và polysaccharide, phân cắt từng nhóm maltose từ đầu không khử của mạch Maltose được tạo thành do sự xúc tác của β-amylase có cấu trúc β

Ở ngũ cốc, β-amylase tham gia vào sự phân giải của tinh bột trong quá trình nẩy mầm của hạt Ở lúa, β-amylase được tổng hợp trong suốt quá trình của hạt và hầu như không được tổng hợp ở hạt khô Ở lúa mạch, enzyme có mặt ở trong hạt khô, nó được tích lũy trong suốt quá trình phát triển của hạt, khi ở dạng liên kết, enzyme này là một phân tử có trọng lượng phân tử là 64.000 Da và khi bị cắt bởi một protease sẽ được phóng thích dưới dạng tự do và có khối lượng phân tử là 59.000 Da

b) Cơ chế tác dụng của 𝛃-amylase

β-amylase là một enzyme ngoại bào (exoenzyme) Tiến trình phân giải bắt đầu tử đầu không khử của các nhánh ngoài cùng cơ chất β-amylase phân cắt các liên kết α-1,4-glucoside nhưng khi gặp liên kết α-1,4-glucoside đứng kế cận liên kết α-1,6 glucoside thì nó sẽ ngừng tác dụng Phần polysaccharide còn lại là dextrin phân tử lớn có chứa rất nhiều liên kết α-1,6 glucoside và được gọi là β-dextrin Tinh bột dưới tác dụng của β-amylase tạo ra maltose (54 - 58%), β-dextrin (42 - 46%) Tinh bột thủy phân đồng thời bởi cả α và β-amylase thì lương tinh bột thủy phân tới 95%

c) Đặc tính của 𝛃-amylase

β-amylase là một albumin, tâm xúc tác có chứa nhóm –SH, nhóm X-COOH

và vòng imidazol của các gốc histidine và là enzyme ngoại bào (exoenzyme) β-amylase không bền khi có Ca2+, β-amylase bị kiềm hãm bởi Cu2+, Hg2+, urea, iodincoacetamide, iodine, ozon

β-amylase chịu nhiệt kém hơn α-amylase nhưng bền hơn với acid β-amylase

bị bất hoạt ở nhiệt độ 70oC Nhiệt độ tối thích của β-amylase là 55oC, pH = 5,1 - 5,5

Tham gia vào cơ chế tác dụng của β-amylase thường có một nhóm cacboxyl thể hiện tính chất ái nhân và một nhóm imidazol thể hiện tính chất ái electron Sự nghịch đảo hình thể của cacbon anomer được thực hiện nhờ việc tạo thành hợp chất đồng hóa trị trung gian kiểu ester axetal giữa cacbon anome và nhóm cacboxyl của tâm hoạt động Sau đó ester này bị phân hủy bởi tác động của một phân tử nước lên nhóm cacboxyl để giải phóng ra α-maltose và hoàn nguyên nhóm cacboxyl của enzyme

2.3.1.4 Enzyme 𝛄-amylase (glucoamylase)

a) Cấu tạo

γ -amylase (glucoamylase hay α -1,4-glucan-glucohydrolase) là những enzyme có thể thủy phân được cả hai kiểu liên kết của các mạch α-glucan để giải phóng ra ở dạng β Glucoamylase hay γ-amylase chủ yếu được tạo ra bởi các vi

sinh vật Đặt biệt là kiểu nấm mốc Aspergillus, Penicillium và Rhizopus

Amyloglucosidase từ nấm mốc là các protein có khối lượng phân tử lượng dao động rất lớn từ 27.000 đến 112.000 Da tùy thuộc vào nguồn gốc của enzyme

Nói chung thì các amyloglucosidase đều chứa các gốc methionine, trytophan,

và một nữa gốc cystein Tuy nhiên mối quan hệ giữa chuỗi acid amin, cấu trúc bậc

3 và hoạt động của enzyme vẫn chưa được làm sáng tỏ, tất cả các amyloglucosidase

từ nấm mốc đều là glucoprotein chứa từ 5 - 20% gluxit trong đó chủ yếu là các monosaccharide: glucose, manose, galactose và glucosamin

Các amyloglucosidase chủ yếu được tạo nên từ hai isoenzyme I và II khác nhau ở khả năng thủy phân tinh bột ở trạng thái rắn và bởi độ bền của chúng Amyloglucosidase I tự hấp thụ và thủy phân tinh bột ở trạng thái rắn, ngược lại amyloglucosidase II không có cả hai tính chất này

b) Cơ chế hoạt động

Amyloglucosidase có thể giải phóng ra β-D-glucose bằng cách thủy phân lặp lại nhiều lần các liên kết α-1,4 của mạch α-glucan từ đầu không khử, chúng cũng thủy phân được các liên kết α-1,6 và α-1,3 nhưng rất chậm (10 - 30 lần) Tốc độ thủy phân cũng phụ thuộc vào bản chất của liên kết kề cận với các liên kết glucoside được thủy phân, cũng như kích thước và cấu trúc của cơ chất bị thủy phân Nhất là với các α-glucan mạch dài (amylose và amylopectin) thì bị thủy phân nhanh hơn là với các maltodextrin và các oligosaccharide

c) Tính chất

Glucoamylase có khả năng thủy phân các liên kết α-1,4 lẫn α-1,6 glucoside Khi thủy phân liên kết α-1,4-glucan trong chuỗi polysaccharide, glucoamylase tách lần lượt từng phân tử glucose ra khỏi đầu không khử của mạch để tạo ra glucose Enzyme này có nhiều tên gọi khác nhau : α-1,4; α-1,6-glucan-4; 6-glucohydrolase; glucoamylase; amyloglucosidase; taka-amylase B là enzyme ngoại bào

Ngoài các liên kết α-1,4 và α-1,6 glucoside, glucoamylase còn có khả năng thủy phân các liên kết α-1,2 và α-1,3 glucoside

Glucoamylase có khả năng thủy phân hoàn toàn tinh bột, glucogen, amylopectin, dextrin, panose, iso maltose và maltose thành glucose, mà không cần

có sự tham gia của các loại enzyme khác Glucoamylase thủy giải các polysaccharide có phân tử lớn nhanh hơn so với các chất có phân tử nhỏ Các polysaccharide có nhánh như amylopectin, glucogen, β-dextrin bị glucoamylase thủy phân khá nhanh

Đa số glucoamylase có hoạt lực cao nhất ở vùng có pH = 3,5 - 5,5 và nhiệt độ

50oC Nó bền với acid hơn α-amylase nhưng kém bền hơn trong rượu, acetone và không được bảo vệ bởi Ca2+

Bảng 2.5 Các đặc tính kỹ thuật của enzyme glucoamylase được trích ly từ các loại nấm mốc khác nhau

Nguồn enzyme Khoảng pH tối ưu Khoảng nhiệt độ tối ưu (oC)

Aspergillus

3,0 - 6,0 (4,5 - 5,0)

55 - 60

90

A.awamori

2,0 - 7,0 (3,0 - 5,0)

55 - 65

85

Rhizopus

3,0 - 6,0 (3,5 - 5,5)

để hơn α và β-amylase do đó trong dịch thủy phân có nhiều maltose hơn

Nhiệt độ tối thích cho hoạt động của dextrinase là 40oC và pH tối thích là 5,1

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme

Nồng độ enzyme: Khi có đầy đủ cơ chất thì vận tốc phản ứng của enzyme tỉ

lệ thuận với nồng độ enzyme Nhưng nếu vượt quá nồng độ tối thích của nó sẽ ức

chế trở lại hoạt tính của enzyme

Nồng độ cơ chất: Khi cố định nồng độ enzyme thì vận tốc phản ứng tỉ lệ thuận

với nồng độ cơ chất Nhưng khi đạt đến nồng độ cực đại thì hầu như tốc độ phản ứng không đổi

Chất hoạt hóa: Chất hoạt hoá là những chất có tác dụng làm cho enzyme từ

trạng thái không hoạt động hoặc hoạt động yếu trở nên mạnh hơn Chúng có thể là các anion, các ion kim loại, các chất hữu cơ phức tạp Các chất hoạt hóa chỉ có tác dụng hoạt hóa ở một nồng độ nhất định, vượt quá nồng độ này chúng sẽ gây ức chế

hoạt động của enzyme

Chất kìm hãm: Các chất kìm hãm là chất có mặt trong các phản ứng enzyme

làm yếu hoặc chấm dứt hoàn toàn tác dụng của enzyme nhưng lại không bị enzyme

làm thay đổi tính chất hóa học, cấu tạo hóa học và tính chất vật lý của chúng Các

chất kìm hãm có thể là các ion kim loại, các phân tử vô vơ, các chất hữu cơ và

protein

Nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến phản ứng enzyme Tốc độ phản

ứng enzyme không phải lúc nào cũng tỉ lệ thuận với nhiệt độ phản ứng Tốc độ phản ứng chỉ tăng đến một giới hạn nhất định Vượt quá nhiệt độ đó, tốc độ phản ứng enzyme sẽ giảm và dẫn đến mức triệt tiêu Bản chất của enzyme là protein nên

có không bền đối với tác dụng nhiệt, đa số enzyme bị mất hoạt tính ở 70oC (Phạm Thu Cúc, 2002) Nhiệt độ tương ứng với tốc độ phản ứng enzyme cao nhất được gọi là nhiệt độ tối ưu Phần lớn enzyme hoạt động mạnh nhất ở 40 - 50oC Nhiệt độ tối ưu của những enzyme khác nhau thì khác nhau Nếu đưa nhiệt độ cao hơn mức nhiệt độ tối thích, hoạt tính của enzyme sẽ bị giảm và không có khả năng phục hồi lại Ngược lại, ở nhiệt độ hoạt động thấp (0oC) enzyme bị ứng chế hoạt tính Nhiệt

độ tối ưu của một enzyme phụ thuộc rất nhiều vào sự có mặt của cơ chất, kim loại,

pH và các chất bảo vệ

pH: pH môi trường ảnh hưởng đến mức độ ion hóa cơ chất, enzyme và đặc

biệt ảnh hưởng đến độ bền enzyme Chính vì thế pH có ảnh hưởng rất mạnh đến

phản ứng enzyme pH tương ứng với tốc độ phản ứng enzyme lớn nhất gọi là pH

tối ưu pH tối ưu của enzyme có thể ở vùng trung tính, vùng kiềm và vùng acid pH tối ưu cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, khi tăng nhiệt độ phản ứng thì pH tối ưu sẽ chuyển dịch về phía pH lớn hơn

2.3.3 Ứng dụng của enzyme amylase

Amylase là nhóm enzyme được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: công nghệ sản xuất bia, công nghệ thực phẩm đặc biệt là sản xuất bia Trong lĩnh vực sản xuất bia amylase được sử dụng để đường hóa tinh bột thành maltose, glucose dùng làm cơ chất cho quá trình lên men bia

- Trong công nghiệp sản xuất rượu bia (giai đoạn đường hóa tinh bột)

- Trong công nghiệp sản xuất tương, mạch nha, mật, đường glucose

- Từ tinh bột có thể làm cơm rượu làm thức ăn cho gia súc rất giàu chất dinh dưỡng

- Amylase còn được ứng dụng trong sản xuất bánh mì, làm cho bánh nở xốp thơm ngon hơn

- Trong công nghiệp dệt chế phẩm enzyme amylase còn dùng làm vãi mềm mịn, dễ tẩy chất, dễ bắt màu khi nhuộm

- Trong công nghiệp chế biến dược phẩm

- Trong công nghiệp sản xuất bột ngọt

2.3.3.1 Ứng dụng trong sản xuất bia

Bia là loại đồ uống có độ cồn thấp, giàu dinh dưỡng Ngoài việc cung cấp một lượng calori khá lớn, trong bia còn chứa một hệ enzyme khá phong phú, đặc biệt

là nhóm enzyme kích thích tiêu hóa

Nguyên liệu sử dụng: ngũ cốc, hoa Houblon, nước, nấm men, chất phụ gia Các chủng vi sinh vật sử dụng:

- Saccharomyces cerevisisae (lên men nổi)

- Saccharomyces cerevisidae (lên men chìm)

Tinh bột là thành phần chiếm vị trí số một của hạt đại mạch cả về số lượng lẫn vai trò của nó trong sản xuất bia Trong công nghiệp sản xuất bia, người ta thường sử dụng enzyme amylase có trong mầm đại mạch

Ngoài ra, còn sử dụng các enzyme khác có trong mầm đại mạch để thủy phân

và chuyển hóa các chất không tan sang trạng thái tan như chuyển protein, cellulose sang amino acid và glucose

Các quá trình công nghệ này đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới So với các loại enzyme amylase từ các nguồn khác, amylase từ thóc đại mạch đã nẩy mầm được sử dụng với số lượng nhiều nhất hiện nay