LÊN MEN rượu NHỜ xúc tác ENZYME

Rượu etylic là sản phẩm lên men là sản phẩm được loài người biết sử dụng lâu đời nhất và hiện nay cũng là thứ đồ uống được sử dụng rộng rãi ở mọi nước trên thế giới Rượu có thể được sản xuất từ 2 con đường chính: lên men (con đường sinh học) và tổng hợp (con đường hoá học) Rượu sản xuất lên men dùng làm đồ uống và cồn kỹ thuật được dùng cho một số ngành khác. Cồn tổng hợp là nguyên liệu kỹ thuật dùng trong công nghiệp, không dùng làm đồ uống

BÁ O CÁ O SEMINAR

MÔN HỌC HOÁ XÚC TÁ C

LÊN MEN RƯỢU NHỜ XÚC TÁC ENZYME

 TPHCM, THÁ NG 05/2018 

2

Giới thiệu

Rượu etylic là sản phẩm lên men là sản phẩm được loài người biết sử dụng lâu đời nhất và hiện nay cũng là thứ đồ uống được sử dụng rộng rãi ở mọi nước trên thế giới

Rượu có thể được sản xuất từ 2 con đường chính: lên men (con đường sinh học) và tổng hợp (con đường hoá học)

Rượu sản xuất lên men dùng làm đồ uống và cồn kỹ thuật được dùng cho một số ngành khác Cồn tổng hợp là nguyên liệu kỹ thuật dùng trong công nghiệp, không dùng làm đồ uống

Quá trình sản xuất rượu gồm các giai đoạn:

Trong đó quá trình lên men giữ vai trò rất quan trọng, quyết định chất lượng của sản phẩm thu được

4

1 Tổng quan về một số enzyme sử dụng trong quá trình lên men rượu

1.1 Enzyme α – amylase (α – 1,4 – glucan 4 – glucahydrolase)

Đặc điểm: Enzyme α – amylase thuộc nhóm enzyme nội bào endoamylase

(enzyme thuỷ phân các liên kết bên trong chuỗi polysaccharide), có nhiều tên gọi khác như: glucoamylase,amyloglucosidase, enzyme amylase dextrin….Phân tử gồm 1-6 nguyên tử carbon tham gia hình thành và ổn định cấu trúc bậc 3 của

enzyme Enzyme này được tạo ra từ nấm mốc và vi sinh vật: Asp Oryzae, Asp Awamori, Asp Usami, Asp Batatae, Asp Niger, Bacillus subtilic , …

Tính chất: Enzyme α – amylase có khả năng cắt đứt liên kết 1,4 - glucoside nằm bên trong của phân tử cơ chất (tinh bột, glycogen) một cách ngẫu nhiên tạo dextrin

và một ít maltoxza α – amylase không chỉ có khă năng phân hủy hồ tinh bột mà còn

có khả năng phân hủy các hạt tinh bột nguyên vẹn Dưới tác dụng của α – amylase, amiloza khá nhanh chóng thành oligosaccharide gồm 6-7 gốc glucoza, sau đó tiếp tục bị phân cắt và trong 1 thời gian dài sẽ bị thủy phân thành 23% glucose và 67% maltose Tác dụng của enzyme này cũng tương tự xảy ra đối với amylopectin nhưng

vì không phân cắt được liên kết α – 1,6 – nên sản phẩm sẽ là 72 % maltose, 19 % glucos, dextrin thấp phân tử và 80% isomaltose

Hoạt tính: Thể hiện hoạt tính trong vùng axit yếu : α – amylase nấm mốc có pHop

= 4.5 – 4.9 , và của vi khuẩn là 5.9 – 6.1 Ở pH < 3 enzyme bị vô hoạt hoàn toàn trừ α – amylase của Asp Niger có thể chịu được pH = 2.5 – 2.8

1.2 Enzyme β – amylase (β - 1,4-glucan-maltohydrolase)

Đặc điểm: Thuộc nhóm enzyme ngoại bào exoamylse (enzyme thủy phân tinh bột

từ đầu không khử của chuỗi polysaccharide) Enzyme này được tạo ra từ nấm mốc

và vi sinh vật: Asp Oryzae, Asp Awamori

Tính chất: Có khả năng thủy phân 100% amylaza thành maltose và 54 – 58 % amylopectin thành maltose Khi gặp liên kết α – 1,4 – đứng kế cận α – 1, 6 - thì enzyme β này ngừng tác dụng Phần còn lại không bị tác dụng gọi là β – dextrin Nếu cho cả α và β – amylase cùng đồng thời thủy phân tinh bột thì hiệu suất thủy phân đạt tới 95 %

Hoạt tính: β – amylase là một albumin, là enzyme ngoại phân, chỉ có trong malt, kém bền ở nhiệt độ cao, bị vô hoạt hoàn toàn ở 70oC pHop trong dịch tinh bột thuần khiết là 4.6 còn trong dịch nấu tinh bột là 5.6 Và toop trong dịch tinh bột thuần khiết

là 40 -50 o C còn trong dịch nấu tinh bột là 60-65 oC

6

1.3 Enzyme γ – amylase (glucoamylase hay -1,4-glucan-glucohydrolase)

Glucoamylase có khả năng thủy phân liên kết -1,4- lẫn -1,6- glucoside , ngoài

ra còn có khả năng thủy phân các liên kết -1,2 và -1,3 glucoside và là enzyme ngoại bào

Glucoamylase có khả năng thủy phân hoàn toàn tinh bột, glucogen, amylopectin, dextrin…thành glucose mà không cần có sự tham gia của các loại amylase khác

Đa số glucoamylase đều thuộc loại chịu acid, pHop = 3.5 – 5, to

op = 50 – 60oC, mất hoạt tính ở > 70oC Hiện nay enzyme này có vị trí hàng đầu về hiệu lực thủy phân tinh bột và các sản phẩm trung gian Vì thế việc sử dụng các chế phẩm glucoamylase tách từ các chủng vi sinh vật hoạt động trong sản xuất rượu, bia, mạch nha có ý nghĩa, triển vọng vô cùng to lớn

Những chủng vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp ra enzyme này là: Asp Oryzae, Asp Awamori, Asp Usami, Asp Batatae, Asp Niger, …

Aspergillus oryzae

1.4 Phương pháp nuôi cấy thu nhận enzyme

Vi sinh vật là nguồn enzyme vô cùng phong phú, giúp cho ngành công nghệp sản xuất những chế phẩm enzyme tiến khá nhanh, phục vụ cho ngành sản xuất thực phẩm, hàng tiêu dùng, ăn uống, nông nghiệp, y dược đạt được hiểu quả kinh tế cao Trong họ hành vi sinh vật thì nấm mốc chiếm vị trí khá quan trọng Từ nấm mốc

đã thu được các chế phẩm enzyme thương mại là amylaza, proteasa,

xenlulaza,…Có tới 80 enzyme khác nhau từ nấm mốc và 10 enzyme trong số đó được sử dụng rộng rãi

Quá trình sản xuất enzyme từ vi sinh vật chia làm 2 giai đoạn: nuôi cấy vi sinh vật

và tách chiết enzyme

+ Nuôi cấy vi sinh vật phải cấy giống từ nhỏ đến lớn, nghĩa là giống thuần chủng

từ ống nghiệm dược gieo cấy nhân giống rồi nuôi cấy đại trà trên các môi trường thích hợp để cho vi sinh vật nhiều enzyme và hoạt tính cao Giai đoạn nuôi cấy để

vi sinh vật cho nhiều enzyme là vô cùng quan trọng, là mấu chốt của quá trình sản xuất enzyme

+ Tách chiết enzyme: các chế phẩm enzyme được sử dụng trong thực tế có nhiều dạng khác nhau Trong một số trường hợp, môi trường nuôi cấy trong đó chứa enzyme được sử dụng trực tiếp dưới dạng thô không cần tách tạp chất, nếu tạp chất

đó không gây hại cho sản xuất Người ta có thể chiết xuất enzyme bằng các dung môi khác nhau như nước, dung dịch đệm, dung dịch muối trung hoà, sau đó cô đặc

và tinh chế lại enzyme theo nhiều cách khác nhau: các protein không hoạt động có thể loại khỏi enzyme bằng phương pháp làm biến tính nhiệt, pH, thay đổi dung môi, protein đã biến tính có thể tách bằng lọc hoặc ly tâm để loại bỏ kết tủa

8

2 Cơ chế xúc tác men

Các giai đoạn của quá trình thuỷ phân tinh bột của Enzyme α – amylase:

+ Giai đoạn dextrin hoá: Tinh bột -> dextrin phân tử lượng thấp

+ Giai đoạn đường hoá:

Dextrin -> tetra và trimaltose -> disaccharide và monosaccharide

Amylase -> oligosaccharide

Maltose -> maltotiose -> maltoterose

Quá trình thuỷ phân tinh bột bởi α – amylase là quá trình đa giai đoạn

Giai đoạn 1 (giai đoạn dextrin hoá): một số phân tử cơ chất bị thuỷ phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp

Giai đoạn 2 (đường hoá) dextrin phân tử thấp tạo thành tiếp tục bị thuỷ phân tạo thành các tetra-trimaltose không màu với iod Các chất này bị thuỷ phân rất chậm bởi α – amylase đi tới disaccharide và monosaccharide Dưới tác dụng của α – amylase, amylose bị phân giải khá nhanh thành oligosaccharide gồm

6-7 gốc glucose Sau đó các poliglucose này phân cách tiếp tục tạo nên các mạch polyglucose collagen cứ ngắn dần và bị phân giải chậm đến maltose Qu một thời gian dài thì sản phẩm cuối cùng thu được là glucose và maltose Tác dụng của α – amylase lên amylopectin cũng xảy ra tương tự nhưng vì không phân cắt được liên kết α – 1,6 – glycoside ở chỗ mạch nhánh trong phân tử amylopectin nên dù chịu tác dụng lâu thì sản phẩm cuối cùng ngoài các đường trên còn có dextrin phân tử thấp và isomaltose

Glucose thu được nhờ enzyme sẽ tiếp tục phản ứng theo cơ chế sau:

Quá trình xảy ra khi môi trường hơi acid (pH= 4-5), gồm 3 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: dưới tác dụng của hệ thống enzyme bởi vi sinh vật, glucoza được chuyển hoá theo con đường Embeden – Mayerhof tạo thành acid pyruvic

+ Giai đoạn 2: Pyruvic dưới tác dụng của men pyruvate decacboxylaza và

tiamimpirophotphat sẽ khử carboxyl tạo thành CO2 và CH3CHO

+ Giai đoạn 3: CH3CHO đóng vai trò là chất nhận hidro cuối cùng sẽ tiếp thu hidro docofecmeni

Quá trình lên men có thể chia thành 2 thời kì:

+ Thời kỳ cảm ứng: Trong thời kì này CH3CHO được tạo thành từ acid pyruvic còn ít chưa được dùng là chất nhận hidro do đó hidro được chuyển cho

aldehyde glycerinic và chất này trở thành glycerin Do vậy mội trường sẽ hình thành glycerin, CH3CHO và CO2

+ Thời kỳ tĩnh: khi CH3CHO đạt tới một lượng nào đó trong môi trường, phản ứng sử dụng aldehyde glycerinic làm chấtt nhận hidro sẽ đình chỉ và CH3CHO

sẽ là chất nhận hidro cuối cùng và chuyển thành ethanol

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men

Sự nhiễm khuẩn: Cần chống nhiễm tạp khuẩn, bảo vệ quá trình lên men

Nhiệt độ: làm nguội cho quá trình lên men (ở nước ta khi lên men vào mùa hè, dịch đường thường nóng hơn 35 oC, cần phun nước dội từ trên xuống quanh thùng để hạ nhiệt Trường hợp lên men ở nhiệt độ cao dẫn đến những hậu quả xấu như dễ tạp nhiễm, sinh nhiều sản phẩm phụ làm giảm chất lượng sản phẩm Lưu ý: Enzyme amylase từ các nguồn có thành phần amino acid khác nhau, nhiệt độ thích hợp cho hoạt động xúc tác cũng không đồng nhất

Nồng độ đường: nồng độ đường thích hợp là 10 – 15 % Nồng độ đường cao thì năng lực men giảm, nồng độ đường thấp cũng không thích hợp cho quá trình lên men

Ảnh hưởng của pH: độ pH có ý nghĩa rất quan trong đối với quá trình lên men, thường được các thực hiện ở pH = 4- 4.5

Ảnh hưởng của Oxi: cần tiến hành lên men rượu trong trường hợp kị khí, nếu trong môi trường đầy đủ oxi nó sẽ oxi hoá tạo CO2 và H2O

10

* TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Hiroshi Tananka, Pie-Lang Wang, Osamu Yamada Late & Telichi Tamura, Yellow Pigments of Aspergillus niger and Asp Awamori, DOI:

10.1080/00021369.1966.10858561

2 PGS.TS Lương Đức Phẩm, Giáo trình Công nghệ Lên men; Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam

3 PGS.TS Nguyễn Quý Hải, Giáo trình Công nghệ Enzyme; Nhà xuất bản Đại học Huế

4 Nguyễn Thị Hằng, Luận văn Quá trình chuyển hoá các hợp chất hữu cơ không có nitơ do vi sinh vật

5 TS Trần Bích Lam, Ứng dụng Enzyme Amylase trong công nghệ thực phẩm

và nguồn thu nhận, Bộ môn Công nghệ Thực Phẩm, Khoa Kĩ thuật Hoá học, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM