Ứng dụng enzyme trong sản xuất thực phẩm

Bước đột phá đầu tiên đối với các enzyme thu nhận từ vi sinh vật ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm bắt đầu từ những năm đầu của thập kỷ 60 khi glucoamylase được đưa ra giới thiệu. Từ đó

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

  

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

Tên đề tài:

VÍ DỤ ỨNG DỤNG CHẾ PHẨM VI SINH VẬTTRONG SẢN XUẤT THỰC PHẨM

Người thực hiện: Lê Thị Thảo

Chuyên ngành : Công nghệ Thực

phẩm và Đồ uống

Năm 2006

TỔNG QUANI- Vi sinh vật và ứng dụng:

Vi sinh vật phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên, là sinh vật nhỏ bé, có mặtở khắp mọi nơi, có những hoạt động sinh lý phong phú đa dạng hơn bất kỳ loạisinh vật nào khác Vi sinh vật có tính chất cấu tạo giản đơn, đồng nhất về hìnhthái, phong phú về loại hình và chúng được sử dụng trong nhiều loại hình nghiêncứu khác nhau Trong số các vi sinh vật có nhiều loại có giá trị lớn nhờ việc sảnsinh ra các chất hoạt động sinh lý như men, chất kháng sinh, acid amin vàvitamin [3]

Con người đã tận dụng những khía cạnh có lợi của vi sinh vật để ứngdụng rộng rãi vào các mục đích khác nhau như sản xuất acid thực phẩm, tạo racác chế phẩm enzime, chế biến thức ăn gia súc, sử dụng trong công nghệ lênmen, thuỷ phân prôtêin động vật, thực vật, sinh tổng hợp prôtêin và xử lý môitrường Trong công nghiệp thực phẩm vi sinh vật càng được ứng dụng mạnh mẽđể sản xuất rượu, bia, nước chấm, dấm, mì chính, đường … Người ta thường sửdụng vi sinh vật như những tác nhân chuyên hoá và tinh vi khi tiến hành tổnghợp các steroit và nhiều hợp chất hoá học khác [3]

Công nghệ vi sinh là một trong những ngành mũi nhọn của công nghệsinh học Những năm gần đây khi nền công nghiệp phát triển mạnh thì ngành visinh ứng dụng đã trở thành công nghệ khá vững mạnh, đạt được nhiều thành tựuđáng kể nhất là trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm Công nghệ vi sinh phục vụviệc sản xuất các chế phẩm enzyme cũng phát triển mạnh Trong số gần 2000enzyme xúc tác sinh học đã có hơn 50 enzyme được sản xuất từ công nghiệp vớiqui mô khác nhau Các chế phẩm enzyme này không phải là sản phẩm tiêu dùngtrực tiếp nhưng được sử dụng vào nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau như côngnghệ thực phẩm, công nghệ dệt tẩy, công nghệ dược phẩm, các quá trình thuỷphân prôtêin, thuỷ phân tinh bột, chất béo…[3]

II- Nguồn Chế phẩm enzyme từ Vi sinh vật:

Khoa học về nghiên cứu vi sinh vật chậm hơn khoa học nghiên cứu về độngvật và thực vật Mãi thế kỷ 18 người ta mới biết về sự tồn tại của vi sinh vật

trong thế giới sinh vật, tuy nhiên việc ứng dụng các công nghệ có hoạt động củavi sinh vật thì có từ rất lâu đời Dựa trên nền tảng đó nên vi sinh vật ứng dụng đãphát triển rất nhanh, đặc biệt là trong thế kỷ 20 Trong đó công nghệ enzyme từvi sinh vật đặc biệt phát triển mạnh ở thế kỷ 20 đầu thế kỷ 21 Nguồn enzymenày dần dần thay thế enzyme từ động vật và thực vật do hàng loạt những ưuđiểm về sinh lý vi sinh vật và về kỹ thuật sản xuất Những ưu điểm cơ bản của visinh vật dùng để sản xuất enzime được tóm tắt như sau: [2]

- Hoạt tính enzyme từ vi sinh vật rất cao, chỉ một lượng nhỏ có thể chuyển hoámột lượng cơ chất khá lớn, cường độ phản ứng xãy ra rất mạnh khi được xúctác bởi các enzyme loại này.

- Vi sinh vật có cường độ sinh sản cực mạnh và tổng hợp enzyme với tốc độrất nhanh chóng, trong một thời gian ngắn có thể thu được một lượng enzymerất lớn.

- Môi trường dinh dưỡng nuôi cấy vi sinh vật tạo enzyme rất dễ kiếm, rẻ tiền,thường là những phụ liệu công nghiệp nên giá thành thu nhận sản phẩmenzyme rẻ hơn và dễ áp dụng cho các cơ sở sản xuất.

- Hệ enzyme của vi sinh vật rất phong phú, từ các loại vi sinh vật khác nhau tacó thể thu nhận được nhiều hệ enzyme khác nhau và chính vì thế có thể thunhận được một số enzyme chuyên biệt.

- Vi sinh vật chịu ảnh hưởng rất lớn ở thành phần dinh dưỡng môi trường hoặccác tác động của môi trường, do đó người ta có thể tác động những biện phápkhác nhau hoặc thay đổi thành phần dinh dưỡng để tạo ra các enzyme có hoạttính cao và đạt khối lượng nhiều.

- Sản xuất enzyme từ vi sinh vật có thể thực hiện trên quy mô công nghiệp, tựđộng hoá và cơ giới hoá.

Tóm lai, việc ứng dụng vi sinh vật trong công nghệ thực phẩm nói riêng vàtrong nền công nghiệp nói chung không chỉ dừng lại ở việc sử dụng trực tiếp visinh vật vào trong sản xuất, chế biến mà nhờ sự phát triển của công nghệenzyme, ta có thể sử dụng các chế phẩm enzyme thu nhận từ vi sinh vật đểchuyển hoá các cơ chất thu nhận các sản phẩm mong muốn.

III- Việc Ứng dụng các chế phẩm enzyme :

Enzyme được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau của nền kinhtế quốc dân, đặc biệt là trong công nghệ thực phẩm Ở nhiều nước trên thế giới ,việc sản xuất chế phẩm enzyme đã trở thành một ngành công nghiệp lớn Sở dĩenzyme được sử dụng phổ biến như vậy vì những lý do sau: [4]

- Enzyme có tính đặc hiệu cao; tính chất này rất quan trọng đặc biệt là khi chếbiến các nguyên liệu có nguồn gốc sinh vật, có thành phần hoá học rất phứctạp.

- Enzyme đều có nguồn gốc tự nhiên, không độc hại Đặc điểm này quan trọngđối với ngành thực phẩm và y học.

Dựa trên những đặc tính đó mà trong công nghiệp có thể hợp lý hoá hoặc rútngắn các quá trình sản xuất, thay đổi triệt để một số qui trình kỹ thuật cũ, nângcao hiệu suất và chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên vật liệu [4]

Bước đột phá đầu tiên đối với các enzyme thu nhận từ vi sinh vật ứng dụngtrong công nghiệp thực phẩm bắt đầu từ những năm đầu của thập kỷ 60 khiglucoamylase được đưa ra giới thiệu Từ đó, gần như toàn bộ việc sản xuất sảnphẩm đường glucose đã được thực hiện theo con đường thuỷ phân nhờ enzymethay thế thuỷ phân bằng acid theo truyền thống đã dùng [6]

Từ năm 1973, công nghiệp chế biến tinh bột đã phát triển và đã trở thành mộtthị trường lớn nhất sử dụng enzyme sau công nghiệp chất tẩy rửa Thuỷ phânnhờ enzyme được dùng để tạo các loại sirô qua các bước dịch hoá, đường hoá vàisomer hoá.

Một thị trường to lớn khác sử dụng enzyme là công nghiệp bánh nướng Cácenzyme bổ sung được cho thêm vào bột nhào để nâng cao chất lượng bánh mỳvề sự đồng đều của cấu trúc ruột bánh và thể tích bánh lớn hơn Một số enzymeđặc biệt cũng kéo dài thời hạn sử dụng bánh mỳ bằng cách bảo toàn độ tươi củabánh lâu hơn.

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG VÀ THỜI HẠN SỬ DỤNG BÁNH MỲBẰNG CÁC CHẾ PHẨM ENZYME TỪ VI SINH VẬT

I- Đặc tính của hệ enzyme bột mỳ và tác dụng của chúng:

Trong bột mỳ cũng có đủ các hệ enzyme như trong hạt mỳ nhưng hàm lượngvà hoạt độ thì khác tuỳ thuộc vào loại bột Bột loại thấp thì hoạt độ và số lượngenzyme bao giờ cũng cao hơn bột loại cao Hoạt độ của các enzyme có ảnhhưởng lớn đến tính chất nướng bánh của bột và chất lượng bánh Hoạt độ quácao hoặc quá thấp đều gây khó khăn cho quá trình công nghệ, thậm chí gây hỏngbánh Trong số các enzyme thì enzyme thuỷ phân prôtêin và tinh bột có ảnhhưởng nhiều nhất [1]

Men thuỷ phân prôtêin gồm proteaza và polypeptidaza, nhưng trong sản xuấtbánh mỳ thì proteaza có ảnh hưởng đáng kể vì nó phân giải prôtêin cấu trúc bậcba, do đó gluten bị vụn nát làm giảm chất lượng bột nhào, ngược lại nó lại tạo ratính chất tơi xốp rất cần thiết đối với bột nhào bánh bích qui Proteaza của bộtmỳ hoạt động thích hợp ở nhiệt độ 45-47oC và pH 4.5 –5.6; khi có chất khử thìhoạt độ của proteaza tăng, nhưng với chất oxy hoá và muối ăn thì bị kìm hãm.[1]

Men thuỷ phân tinh bột gồm - amylaza và - amylaza - amylaza phần huỷamyloza thành maltoze, giúp cho bột nhào lên men nhanh và tăng chất lượngbánh vì bản thân lượng đường trong bột không đủ để đảm bảo chất lượng bánh.- amylaza lại làm giảm chất lượng bánh mỳ, nó phân huỷ tinh bột thànhdextrin, mà dextrin liên kết với nước kém nên ruột bánh mỳ bị ướt.

Ngoài hai loại men trên trong bột mỳ còn có enzyme lipaza, lipooxydaza vàtirozinaza cũng ảnh hưởng tới chất lượng bánh Lipaza thuỷ phân chất béo thànhglixerin và acid béo, còn lipooxydaza oxy hoá chất béo chưa no tạo thànhpeoxit Peoxit là chất oxy hoá mạnh có ảnh hưởng tới gluten và trạng thái menthuỷ phân prôtêin Tirozinaza oxy hoá tirozin tạo thành melanin có màu đen, dođó ruột bánh bị sẫm màu [1]

II- Ảnh hưởng của bột đến chất lượng bánh và biện pháp nâng cao chấtlượng bột đã dùng:

Hiện nay, hầu hết các loại bánh đều sử dụng nguyên liệu chính là bột mỳ.Chất lượng nguyên liệu có một vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm.Nâng cao chất lượng bột mỳ cũng là một biện pháp hữu hiệu nâng cao chấtlượng bánh nướng Để đánh giá chất lượng bột mỳ người ta dựa vào tính chấtnướng bánh của bột Bột có tính chất nướng bánh tốt thì bánh nở to, vỏ bánhnhẵn, bóng, vàng đều và ruột bánh khô, sáng, đàn hồi Tính chất nướng bánh củabột phụ thuộc vào trạng thái hệ prôtein – proteinaza và hệ gluxit – amylaza Hệprôtein – proteinaza của bột gồm số lượng và trạng thái prôtêin, trạng tháienzime thuỷ phân prôtêin, lượng chất hoạt hoá và chất ức chế enzime này Cònhệ gluxit – amylaza bao gồm số lượng và trạng thái của tinh bột, đường,pentozan và hoạt độ của enzime thuỷ phân tinh bột Trạng thái hệ prôtein –proteinaza đặc trưng “độ mạnh” hoặc khả năng giữ khí của bột Còn trạng tháihệ gluxit – amylaza đặc trưng cho khả năng sinh đường và tạo khí

Bột mạnh thì hàm lượng prôtêin cao, prôtêin hút nước nhiều, chất lượnggluten tốt, bột nhào có sức căng lớn, hoạt độ của enzyme thuỷ phân prôtêin yếu,bánh nở tốt và giữ được hình dạng theo yêu cầu Khi phân tử prôtêin có càngnhiều mối liên kết disunfua giữa các nhánh và cuộn lại thành hình cầu thì cấutrúc prôtêin chật lại làm cho bột mạnh [1]

Trong trường hợp bột yếu (xấu) nghĩa là chất lượng gluten kém có thể bổsung một trong các chất oxy hoá nhất định (theo phần trăm bột) như sau:kalibromat (KbrO3) là 0.01-0.004%; kali iodat (KIO3); amon pesunfat[(NH4)2S2O8]; acid ascorbic.

Chất lượng bánh cũng phụ thuộc nhiều vào khả năng sinh đường và tạo khí.Đường là nguyên liệu cho quá trình lên men, sản sinh khí CO2 làm cho bột nhàonở Trong bột nhào có đủ một lượng đường thì vỏ bánh vàng, ruột bánh thơmngon, bánh nở to và đều Lượng đường cần thiết khoảng 5,5-6,0% so với bột,tuy nhiên đường trong bột chỉ khoảng 2 –3%, số còn lại hình thành do thuỷ phântinh bột trong quá trình lên men Như vậy khả năng sinh đường được đặc trưngbởi số lượng đường maltoza hình thành khi lên men ở điều kiện nhất định.

Lượng maltoza hình thành nhiều hoặc ít phụ thuộc vào hoạt độ của hệ enzimeamylaza có trong bột và mức độ hồ hoá của tinh bột

Trường hợp khả năng sinh đường của bột yếu có thể thêm bột men với tỷlệ 0.5-1% so với bột hoặc chế phẩm enzyme từ nấm mốc Aspergilluss oryae vàAspergilluss awamory để tăng lượng enzyme amylaza, còn tăng độ hồ hoá tinhbột bằng cách hồ hoá 1-3% lượng bột bổ sung vào dịch hoạt hoá men trước khinhào bột [1]

III- Các ứng dụng chế phẩm enzyme mới:1 Trong công nghệ bánh nuớng:

Trong vài thập kỷ gần đây, các enzyme như amylaza thu nhận từ malt vànấm mốc đã được sử dụng trong sản xuất bánh mỳ ở các nước Châu Âu và Mỹ.Sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ sinh học đã sản xuất một số lớn chếphẩm enzyme mới quan trọng có sẵn để sử dụng trong công nghệ bánh nướng.Tầm quan trọng của các chế phẩm enzyme này là nó đáp ứng nhu cầu và sởthích của người tiêu dùng là thích dùng sản phẩm tự nhiên hơn các sản phẩm cósử dụng phụ gia hóa học [6] Chẳng hạn, các enzyme có thể sử dụng để thay thếkali bromat KBrO3, là một phụ gia hóa học đã bị ngăn cấm trong một số lớn cácQuốc gia, tuy nhiên ở Việt Nam vẫn còn sử dụng

Bột malt và phần chiết từ malt có thể được sử dụng như là một phần bổsung enzime bởi vì malt rất giàu alpha amylase Các sản phẩm sơ chế maltthương mại có thể khác biệt lớn về hoạt độ enzime của chúng trong khi đó cácchế phẩm enzime công nghiệp thu nhận từ vi sinh vật được cung cấp với hoạtlực tiêu chuẩn

Bảng dưới đây liệt kê một vài tính chất của bánh nướng có thể được cải thiện

bằng cách sử dụng các chế phẩm enzyme công nghiệp thu nhận từ vi sinh vật [6]

Fungal alpha amylase

Tối ưu hóa quá trình lên men nhằm thuđược cấu trúc lỗ hổng ruột bánh đều vàthể tích ổ bánh to hơn

Maltogenicalpha amylase

Cải thiện thời hạn sử dụng

ChủngAspergilluss và

Oxy hóa các nhóm sulphydryl tự dotrong gluten nhằm làm yếu chúng bộtnhào tốt hơn và đàn hồi hơn

Lipase ? Cải thiện tình trạng bột nhào bằng cáchsản sinh ra các tế bào khí nhỏ hơn và kếtcấu mượt hơn và màu ruột bánh trắnghơn

Lipoxygenase ? Làm trắng và làm chắc bột nhàoXylanase Trichoderma

Cải thiện tình trạng bột nhào Dễ thaotác bằng tay hơn và cấu trúc ruột bánhcũng cải thiện hơn

Aspergillusoryzae

Làm yếu gluten nhằm cung cấp đặc tínhdẽo cần thiết đối với bột nhào bánh qui.

2.Trong sản xuất bánh mỳ:2.1 Cơ sở lý thuyết chung:

Bột nhào làm bánh mỳ và một số sản phẩm tương tự được cấu thành từbột mỳ, nước, men, muối và một số thành phần khác thích hợp khác như đườngvà chất béo Bột mỳ gồm có gluten, tinh bột, các polysacharid không phải tinhbột, chất béo và một lượng rất ít các chất khoáng Ngay sau khi nhào bột, menbắt đầu hoạt động sử dụng các loại đường lên men được, chuyển chúng thànhrượu và khí CO2 mà sẽ làm khối bột nhào nở to.

Thành phần chính của bột mỳ là tinh bột Amylase có thể phân cắt tinhbột và sản sinh ra một lượng nhỏ dextrin để men có thể tác dụng Cũng có mộtdạng đặc biệt của amylase mà cải biến tinh bột trong suốt giai đoạn nướng đemlại tác dụng tươi lâu cho sản phẩm bánh rất có ý nghĩa [6]

Gluten là một sự tổ hợp của các ptôtêin để tạo thành một mạng lưới rộngtrong suốt giai đoạn hình thành bột nhào Mạng này giữ khí trong suốt giai đoạnchế biến và nướng Độ bền chắc của mạng gluten này rất là quan trọng đối vớichất lượng của tất cả bánh làm từ bột mỳ sử dụng men để làm nở Các enzymenhư là hemicellulase, xylanase, lipases và oxidase có thể trực tiếp hoặc gián tiếpcải thiện độ bền của mạng gluten vì thế cải thiện được chất lượng của bánh mỳthành phẩm.

Các alpha amylase phân cắt các tinh bột đã được hồ hoá trong bột mỳ thànhcác dextrin nhỏ mà cho phép men có thể sử dụng liên tục trong suốt quá trìnhlên men, chế biến và giai đoạn đầu của quá trình nướng Kết quả là cải thiện thểtích bánh mỳ và kết cấu ruột bánh mỳ Thêm vào đó, một lượng nhỏoligosaccharide và các đường như là glucose và maltose được sản sinh bằngnhững enzyme này giúp tăng cường các phản ứng Mailard có tác dụng tạo màuvà hương thơm hấp dẫn của bánh nướng.

2.2 Ứng dụng đặc biệt của enzyme:- Kéo dài thời hạn sử dụng:

Sự mau khô cứng của bánh mỳ là nguyên nhân gây ra sự tổn thất về tài chínhrất lớn đối với cả người tiêu dùng và nhà sản xuất bánh mỳ Ví dụ, lượng bánhmỳ trị giá hơn 1 tỷ USD bị thải hồi hàng năm ở Mỹ Sự mau khô cứng liên quanvới sự mất độ tươi, trong giai đoạn bảo quản, độ cứng của ruột bánh mỳ tăng lênvà độ co giãn của ruột bánh giảm Sự khô cứng được xem là do sự thay đổi vềcấu trúc tinh bột trong quá trình bảo quản Khi các hạt tinh bột trở về dạngkhông hòa tan từ dạng hòa tan, chúng mất đi tính dẽo (tính linh động) của mình:ruột bánh mỳ trở cứng và giòn [6]

Trong hàng thập kỹ qua các chất nhủ hóa đã được sử dụng như là một tácnhân chống khô cứng Tuy nhiên chúng thực sự có hiệu quả chống khô cứng rấthạn chế và lệ thuộc vào qui định của các nhãn hiệu riêng.

Mặt khác, enzyme Maltogenic alpha amylase thu nhận từ vi khuẩn (thủy

phân maltriose thành malto và gluco) nhản hiệu Novamyl của hảng NOVO đã

được phát hiện thấy có tác dụng chống khô cứng hiệu quả Nó biến đổi tinh bộttrong giai đoạn nướng tại nhiệt độ mà hầu hết các tinh bột bắt đầu thành gelatin.Các hạt tinh bột bị biến đổi đó giữ nguyên trạng thái mềm dẽo trong suốt giaiđoạn lưu kho Bánh mỳ được sản xuất có sử dụng enzime này có ruột bánh đànhồi và mềm hơn bánh mỳ sản xuất có sử dụng monoglycerides tinh chế với chứcnăng là chất nhủ hóa [6]

Đồ thị dưới đây đã cho thấy, bổ sung thêm enzyne Novamyl của Novo với

nồng độ 45ppm mang lại kết quả là mền hơn và đàn hồi hơn việc bổ sungmonoglycerid tinh chế chất lượng cao (DMG) với nồng độ 5000ppm

(Biểu đồ thí nghiệm đối với loại bánh mỳ American)

Hình 1 : Độ rắn chắc của vụn bánh theo thời gian bảo quản

Hình 2: Độ đàn hồi của vụn bánh theo thời gian bảo quản

- Cải thiện trạng thái bột nhào

- Bột mỳ chứa 2.5-3.5% polysacarid không phải là tinh bột mà là các polymelớn (chủ yếu là pentosan) chúng đóng vai trò quan trọng đối với chất lượngbánh mỳ do khả năng hút nước của chúng và sự tương tác với gluten Mặc dùcơ cấu tác dụng chính xác của các enzyme hemicellulase, pentosanase hoặcxylanase trong công nghệ làm bánh mỳ chưa được chứng minh (giải thích) rõràng, nhưng chúng ta cũng biết rõ ràng rằng việc bổ sung các loại enzymepentosanase hay xylanase nào đó với một liều lượng chính xác có thể cảithiện bột nhào hơn nữa về khả năng gia công trên máy, độ mềm dẽo, khảnăng thao tác bằng tay dễ hơn Tóm lại, bột nhào ổn định hơn và cho kết quảtốt hơn trong giai đoạn nướng cuối cùng là thể tích bánh to hơn và kết cấuruột bánh được cải thiện hơn [5]

- Bột mỳ thông thường chứa khoảng 1-1.5% lipid, bao gồm cả nhóm phân cựcvà không phân cực Một vài trong số các lipid này, đặc biệt là lipid khôngphân cực như triglycerid, bị ràng buộc với gluten, làm cản trở chức năng của