Bài giảng kỹ thuật thực phẩm enzyme

KỸ THUẬT THỰC PHẨM Các QT TB sinh học CNTP Giảng viên: Trần Thị Định Bộ môn Công nghệ chế biến ttdinh@hua.edu.vn Chuyên đề 2: Quá trình thiết bị công nghệ enzyme Giới thiệu chung Sản xuất enzyme Ứng dụng enzyme CNTP Giới thiệu chung 1.1 Định nghĩa enzyme • Enzyme protein, tạo thành thể sống, có khả xúc tác (làm tăng tốc độ) phản ứng hóa học cách chọn lọc Tham gia vào chu trình sống chủ yếu tiêu hóa, hơ hấp, trao đổi chất bảo toàn vật chất tế bào sống Enzyme = chất xúc tác sinh học có tính chọn lọc cao • Phản ứng enzyme: Cơ chất enzyme Sản phẩm Giới thiệu chung 1.2 Quá trình enzyme • Các q trình lên men; • Các q trình phức hợp q trình có enzyme tham gia trung gian; 1.3 Phân loại enzyme cơng nghiệp • Chế phẩm enzyme kỹ thuật • Chế phẩm enzyme tinh khiết • Chế phẩm enzyme thơ súc CNTP y, dược, phân tích xử lý mơi trường, thức ăn gia Sản xuất enzyme 2.1 Nguồn thu enzyme phân bố • Động vật – Tụy tạng → trypsin, kimotrypsin, ribonuclease, amylase, lipase • • • • Làm mềm da để lột da, khử vết nứt da Sản xuất sản phẩm thủy phân protein y học môi trường nuôi cấy VSV Chữa bệnh tụy (rối loạn chức năng, cắt bỏ tụy ) Sản xuất chế phẩm enzyme tẩy rửa – Dạ dày lợn → pepsin A, B, C, D, gastrisin – Dạ dày bê → renin • Sử dụng phổ biến chế biến mát (casein → paracasein) – Các loại nội tạng khác (gan, lách, thận, phổi, hoành, con, huyết) để thu nhận aminotransferase, trombia – Nguyên liệu phải tươi (lấy sau giết mổ) – Hoặc bảo quản -20oC tối đa 12 tháng để giữ nguyên hoạt tính enzyme 2 Sản xuất enzyme 2.1 Nguồn thu enzyme phân bố • Thực vật – Cây đậu rựa (Canavalin ensifirmis)→ urease (chiếm ~ 20% chất khô) – Họ dứa (Bromalaceae) → bromelain • Vỏ, chồi, thân, đặc biệt lõi chứa bromelain – Nhựa đu đủ (Carica Papaya L) → papain – Hạt ngũ cốc số loại củ chứa tinh bột → amylase • Hạt cốc nảy mầm (malt), khoai lang nảy mầm – Một số loại thực vật khác: chè, nội nhũ hạt cacao tươi, nước ép nho → polyphenoloxydase Sản xuất enzyme • Vi sinh vật – Là nguồn enzyme phong phú nhất: nấm mốc, vi khuẩn, số nấm men – Là nguồn nguyên liệu thích hợp để sản xuất quy mô lớn – Ưu điểm nguồn vi sinh vật: • Sản xuất quy mơ lớn • Dễ thu nhận, chủ động nguyên liệu ni cấy VSV giống VSV • Chu kỳ sinh trưởng vi sinh vật ngắn: 16 – 100 h nên thu hoạch nhiều lần năm → sản xuất thường xun, khơng phụ thuộc mùa vụ • Năng suất cao • Tận dụng tiến CNSH: chuyển gen, gây đột biến để tạo chủng có khả chịu điều kiện khắc nghiệt (pH, T) • Giá thành thấp mơi trường rẻ, đơn giản, dễ tổ chức sản xuất – Cần ý khả sinh độc tố để có biện pháp phịng ngừa, xử lý thích hợp – Phân lập giống VSV có tự nhiên giống gây đột biến theo hướng có lợi, tổng hợp ưu loại enzyme định 2 Sản xuất enzyme Nguồn thu nhận enzyme Sản xuất enzyme Nguồn thu nhận enzyme Sản xuất enzyme 2.2 Sản xuất enzyme từ vi sinh vật • Phương pháp lên men bề mặt – Nguyên tắc: • Sử dụng chất mang rắn • Ni cấy VSV bề mặt chất mang – VSV: nấm mốc để sinh tổng hợp enzyme amylase, xenlulase, pectinase protease – Ít bị tạp nhiễm khả phát triển nhanh, mạnh – Chất mang: vỏ trấu gạo, vỏ trấu lúa mỳ, cám, ngô mảnh… – Thiết bị: TB có giàn chứa, TB thùng quay Sản xuất enzyme 2.2 Sản xuất enzyme từ vi sinh vật • Phương pháp lên men bề mặt Sản xuất enzyme 2.2 Sản xuất enzyme từ vi sinh vật • Phương pháp lên men bề mặt Khơng khí Nắp Vịi phun Giá đỡ Canh trường Khơng khí vào Nước vào Nước Sản xuất enzyme 2.2 Sản xuất enzyme từ vi sinh vật • Phương pháp lên men bề sâu – Ngun tắc: • Sử dụng mơi trường lỏng • Ni cấy VSV tồn khối mơi trường lỏng – – – – VSV: nấm men, vi khuẩn Cơ chất: tinh bột, đường Môi trường phải tuyệt đối vô trùng Thiết bị: TB lên men lỏng Sản xuất enzyme 2.2 Sản xuất enzyme từ vi sinh vật • Phương pháp lên men bề sâu Sản xuất enzyme 2.2 Sản xuất enzyme từ vi sinh vật • So sánh phương pháp nuôi cấy VSV Lên men bề mặt Lên men bề sâu Ưu điểm + Nồng độ enzyme sau tách khỏi tế bào cao + Chế phẩm dễ sấy khô, dễ bảo quản, vận chuyển + Tốn lượng thiết bị, dụng cụ nuôi cấy đơn giản, thực quy mô nhỏ, vừa lớn Ưu điểm + Phương pháp đại + Dễ giới hóa, tự động hóa + Nuôi cấy dễ dàng chủng VSV đột biến sinh enzyme cao + Dễ tối ưu hóa thành phần mơi trường điều kiện nuôi cấy + Độ tinh khiết enzyme cao Nhược điểm + Năng suất thấp, khó giới hóa, tự động hóa + Tốn diện tích + Chất lượng không đồng Nhược điểm + Nồng độ enzyme thấp, giá thành cao + Tốn lượng khuấy trộn + Nếu tạp nhiễm gây tổn thất lớn 2 Sản xuất enzyme 2.3 Thu nhận tinh chế enzyme Sản xuất enzyme 2.3 Thu nhận tinh chế enzyme • Thu dịch enzyme – Thu enzyme nội bào: • Nghiền nhỏ với cát, vụn thủy tinh, nghiền bi • Để tế bào tự phân hủy • Dùng tác dụng siêu âm, áp suất thẩm thấu cao, trích ly muối dung dịch hữu • Kết tủa enzyme chất điện ly thích hợp – Thu enzyme ngoại bào: • Ly tâm, lọc ép (chất trợ lọc diatomit, than hoạt tính, tác nhân trợ kết tủa CaCl2 + (NH4)2SO4 → CaSO4 ↓để thu nhận sinh khối cặn ép – Dịch enzyme có nồng độ thấp 4-6 g/L • Thu nhận chế phẩm kỹ thuật – Chứa vài loại enzyme chủ yếu, protein, chất ổn định, tạp chất khác – Thu nhận cách: • Cơ đặc chân không 40 -45oC, bổ sung chất bảo quản NaCl, glyxerin, sorbitol, benzoat Bảo quản nhiệt độ thường 1-2 năm 2 Sản xuất enzyme 2.3 Thu nhận tinh chế enzyme • Bổ sung chất ổn định để đạt nồng độ chất khô 30 – 35g/L Sấy phun 120oC, chế phẩm thu dạng bột • Kết tủa enzyme dung mơi thích hợp (ethanol, izopropanol, axeton), (NH4)2SO4.) Ly tâm + chất ổn định sấy khô nghiền mịn để thu chế phẩm dạng bột • Thu chế phẩm tinh khiết – Hòa chế phẩm kỹ thuật vào nước dung dịch CaCl2 • Kết tủa lại ethanol, axeton, (NH4)2SO4 nhiệt độ thấp • Kết tủa pH gần pI • Muối vơ loại bỏ phương pháp thẩm tích, thẩm thấu ngược, lọc gel – Tách enzyme phương pháp hấp phụ chọn lọc • Chất hấp phụ: Silicagel, Al2O3 • Enzyme hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ • Giải hấp phụ để thu nhận enzyme dung dịch đệm – Tách enzyme phương pháp trao đổi ion – Sấy khô nhiệt độ thấp sấy thăng hoa – Dùng nhiều y học, ứng dụng CNSH, sinh học phân tử 3 Ứng dụng enzyme CNTP • Protease với công nghiệp thực phẩm – Làm mềm thịt, tạo thức ăn dễ tiêu hóa – Sản xuất loại dịch thủy phân giàu protein – Chế biến phế liệu công nghiệp thực phẩm thành thức ăn cho người vật nuôi – Sản xuất mát nhờ renin • Pectinase với cơng nghiệp thực phẩm: dùng số ngành công nghiệp thực phẩm sau: – – – – – Sản xuất rượu vang Sản xuất nước nước uống khơng có rượu Sản xuất mặt hàng từ quả: cô đặc, mứt Sản xuất nước giải khát Sản xuất cà phê • Cellulase với công nghiệp thực phẩm – Tăng chất lượng thực phẩm thức ăn gia súc – Tăng hiệu suất trích ly chất từ nguyên liệu thực vật 3 Ứng dụng enzyme CNTP – Sử dụng sản xuất bia, agar • Amylase với cơng nghiệp thực phẩm – Ứng dụng sản xuất bánh mì, glucose, rượu, bia, bánh kẹo • Ứng dụng ngành cơng nghiệp khác – Y học: sản xuất sản phẩm thủy phân protein y học (dịch truyền y tế) môi trường nuôi cấy VSV – Trong mỹ phẩm: Làm mềm da để lột da, khử vết nứt da, – Tẩy rửa 3 Ứng dụng enzyme CNTP Ứng dụng enzyme có nguồn gốc vi sinh vật CNTP Vi khuẩn Enzyme Ứng dụng Arthobacter Bacillus coagulans Bacillus licheniformis gluco-isomerase gluco-isomerase α-amylase protease kiềm protease kiềm β-amylase isoamylase β-amylase α-amylase protease trung tính α-amylase β-amylase endo-glucanase hemicellulase protease decarboxylase catalase Đồ uống Ngũ cốc, Ngũ cốc, nước uống, bánh Thịt, cá, nước uống Nước uống Ngũ cốc, nước uống nt nt nt nt Nước uống, mật ong Nước uống nt Sôcôla, chè, cafe Nước uống, bánh Nước uống Sữa, phomat Bacillus cereus Bacillus megatherium Bacillus amyloliquefa Bacillus amylocieus Bacillus substilis Leuconostoc oenos Micrococus lyroditticus Nấm mốc Aspergillus oryzea α-amylase Ngũ cốc, bánh amyloglucosidase Nước uống, quả, đường mật cellulase Nước uống, quả, rau hemicellulase Sôcôla, chè, cafe lipase Quả dầu, phomat maltase Ngũ cốc pectinase Quả, rượu vang, nước uống protease Phomat, thịt, cá α-amylase Ngũ cốc, quả, nước uống glucoamylase Nước uống, quả, đường mật cellulase - lipase Sữa, phomat lactase nt invertase Kẹo, nước pectinase Nước uống, rượu, protease axit Xì dầu, thịt lên men Candida lipolytica lipase Sữa đậu nành, phomat Saccharomyces cerevisiae invertase Mứt α-galactosidase Mứt quả, đường mật Aspergillus niger Mucor pussilus Nấm men