Ứng dụng của enzyme trong công nghệ sản xuất cồn

Ứng dụng của enzyme trong công nghệ sản xuất cồn. Cồn là một sản phẩm được ứng dụng nhiều trong thực phẩm với tương lai đầy triển vọng. Dưới đây chúng tôi nghiên cứu về vai trò của enzyme trong sản xuất cồn để các bạn có thể tham khảo

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ỨNG DỤNG CỦA ENZYME TRONG CNSX CỒN 1.1 Khái niệm, tính chất, phân loại ứng dụng ethanol 1.2 Tình hình sản xuất tiêu thụ cồn nhiên liệu 1.3 Yêu cầu kỹ thuật cồn tinh chế - theo TCVN 1052:2009 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỒN 2.1 Quy trình truyền thống 2.2 Quy trình đường hóa lên men đồng thời (SSF) 10 2.3 Quy trình dịch hóa, đường háo lên men đồng thời (SLSF) 11 2.4 Quy trình Dịch hóa, Đường hóa Lên men đồng thời nồng độ chất khô cao (SLSF – VHG) 12 CHƯƠNG 3: CÁC LOẠI ENZYME TRONG CNSX CỒN 14 3.1 Alpha Amylase (Emzyme dịch hóa) 14 3.2 Glucoamylase (Enzyme đường hóa) 17 3.3 Các chế phẩm enzyme 21 3.4 Các loại enzyme hỗ trợ 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 1|Page CHƯƠNG 1: ỨNG DỤNG CỦA ENZYME TRONG CNSX CỒN 1.1 Khái niệm, tính chất, phân loại ứng dụng ethanol 1.1.1 Khái niệm − Etanol, biết đến rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, hợp chất hữu nằm dãy đồng đẳng ancol, dễ cháy, không màu, rượu thơng thường có thành phần đồ uống chứa cồn Trong cách nói dân dã, thơng thường nhắc đến cách đơn giản rượu − Etanol ancol mạch hở, cơng thức hóa học C2H5OH Một cơng thức thay khác CH3-CH2-OH thể cacbon nhóm metyl (CH3–) liên kết với carbon nhóm metylen (–CH2–), nhóm lại liên kết với oxy nhóm hydroxyl (– OH) Nó đồng phân nhóm chức dimetyl ete Etanol thường viết tắt EtOH, sử dụng cách ký hiệu hoá học thường dùng đại diện cho nhóm etyl (C2H5) Et 1.1.2 Tính chất vật lý − Ethanol chất lỏng suốt, không màu, có mùi thơm nhẹ dễ cháy Có vị cay đặc trưng − Ethanol tan vô hạn nước − Nhẹ nước với khối lượng riêng 0,7936 g/ml 15°C) − Là chất dễ bay hơi, sôi nhiệt độ 78,39 °C, hóa rắn -114,15°C 1.1.3 Phân loại − Có thể phân loại sản phẩm chứa ethanol vào thành loại theo mục đích sử dụng: + Cồn nhiên liệu: Sử dụng làm nhiên liệu cho động xe thay cho loại xăng truyền thống VD: nhiên liệu xăng E5, E10,… + Cồn công nghiệp: Sử dụng số ngành công nghiệp với hóa chất, dược phẩm, in, dệt,… + Đồ uống có cồn: Sử dụng để àm đồ uống có cồn loại rượu, bia,… 1.1.4 Ứng dụng ethanol • Trong sản xuất thực phẩm: − Trải qua trình chưng cất loại bỏ tạp chất có hại, cồn ethanol thành phần để sản xuất rượu số đồ uống khác Ngồi ra, cồn cịn sử dụng để chế biến bảo quản thực phẩm cách hiệu • Trong y tế: − Cồn ethanol sử dụng cách phổ biến y tế với công dụng khử trùng, sát khuẩn, làm vết thương hở, hạn chế tình trạng nhiễm trùng hoại tử mơ − Là nguyên liệu sản xuất loại thuốc gây mê, gây tê, thuốc ngủ thuốc giảm đau − Với đặc tính khử khuẩn, cồn thường dùng làm dung môi tiệt trùng dụng cụ y tế, thiết bị phẫu thuật, vệ sinh phòng phẫu thuật xử lý chất bẩn y tế hữu máu dịch thể người • Trong sản xuất mỹ phẩm: − Dùng làm nước tẩy trang, nước hoa hồng, serum, kem dưỡng, kem chống nắng 2|Page − Giúp bảo quản mỹ phẩm cách hiệu giúp nâng cao thời gian sử dụng sản phẩm an toàn so với hóa chất bảo quản chun dụng khác • Trong vận tải: − Là nguyên liệu dùng để pha chế loại xăng sinh học xăng E5, E10,… • Trong ngành công nghiệp khác: − Là thành phần quan trọng để điều chế hợp chất hữu phổ biến khác ethyl halogenua, ethyl ester, diethyl ether, acid acetic, ethylamin với giá thành thấp − Dùng sản phẩm chống đông lạnh nhờ nhiệt độ đóng băng thấp − Đóng vai trị dung mơi quy trình sản xuất sơn, cơng nghệ in ấn, điện tử, sản xuất bông, dệt may điều chế hương liệu công nghiệp − Dùng để tẩy rửa vết bẩn hữu công xưởng, nhà máy, làm nhiên liệu đốt thay cho xăng gas cần thiết 1.2 Tình hình sản xuất tiêu thụ cồn nhiên liệu 1.2.1 Tình hình sản xuất Ngành công nghiệp sản xuất rượu cồn eylic ngành công nghiệp phát triển mạnh Rượu, bia thứ thức uống phổ biến có mặt quốc gia giới, đa chủng loại có lịch sử lâu đời Và năm gần đây, với gia tăng không ngừng sản lượng cồn nhiên liệu, ngành công nghiệp cồn ngày xem trọng nhiều quốc gia giới Hình 1.1 Sản lượng ethanol loại cồn từ 1975 – 2021 Vào nửa kỷ trước, mục đích sản xuất rượu cồn hầu giới dùng để pha chế rượu, dùng y tế làm nguyên liệu cho ngành cơng nghiệp khác, việc sử dụng cồn với mục đích nhiên liệu vào năm trở lại sản lượng cồn dùng làm nhiên liệu giới có xu hướng gia tăng nhanh chóng giữ tỷ trọng lớn lượng cồn sản xuất năm gần đây, 3|Page việc sử dụng cồn vào mục đích khác có xu hướng không biến động nhiều Mặc dù năm 2020 với ảnh hưởng tình hình dịch covid mà sản lượng năm 2020 có xu hướng giảm nhà nghiên cứu dự báo tình hình sản xuất cồn phục hồi vào năm 2021 Các số nước sản xuất cồn nhiên liệu lớn Thế Giới biểu thị đồ thị sau: Hình 1.2 Sản lượng cồn nhiên liệu số nước giới năm 2019 Và Việt Nam, ngành công nghiệp sản xuất cồn trọng Bảng 1.1 Lượng rượu Việt Nam xuất đến số nước giới năm 2018 4|Page Ở Việt Nam, vùng trọng điểm sản xuất rượu tập trung chủ yếu đồng sông Hồng, Đông Nam Bộ đồng sông Cửu Long Tính đến 2019, nước ta xuất gần triệu lít rượu Tuy nhiên, nhìn chung, ngành công nghiệp sản xuất rượu cồn nước ta chưa thực phát triển công nghệ, thiết bị lạc hậu, chất lượng sản phẩm chưa cao, chủng loại sản phẩm nghèo nàn, chưa đáp ứng nhu cầu sử dụng người dân Ngoài sản xuất rượu, Việt Nam trọng đến sản xuất cồn nhiên liệu từ sản phẩm nơng sản sắn nguồn nguyên liệu sử dụng nhiều với nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu từ sản lát Việt Nam thể bảng sau: Bảng 1.2 Các nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu từ sắn lát Việt Nam Công suất Nguyên liệu đầu (m /năm) vào (tấn/năm) 100.000 220.000 OBF – Bình Phước 100.000 220.000 Cồn nhiên liệu Cồn Đại Việt (Đăk Nông) 50.000 N/A Cồn 95, 95% Đồng Xanh (Quảng Nam) 100.000 200.000 Ethanol, CO2 lỏng, bã sấy, phân vi sinh 180.000 Ethanol, CO2 lỏng, bã sấy, phân vi sinh, dầu FUSEN Nhà máy Ethanol Dung Quất Cồn nhiên liệu, phân (Quảng Ngãi) Ethanol Tùng Lâm Sản phẩm đầu 60.000 vi sinh, bã sấy 1.2.2 Tình hình tiêu thụ Trên giới hiên có khoảng 2,3 tỷ người sử dụng đồ uống có cồn: rượu, bia tiêu thụ nhiều tại: Châu Mỹ, Châu Âu Tây Thái Bình Dương Trong đó, Châu Âu có mức tiêu thụ rượu bình quân đầu người cao giới 5|Page Bảng 1.3 Số liệu thống kê tình trạng sử dụng rượu cồn khu vực WHO năm 2018 Trong đó, Việt Nam quốc gia có tốc độ tăng trưởng tiêu thụ rượu lớn giới, đạt gần 90% kể từ năm 2010 Năm 2018, người Việt bình qn uống gần lít thức uống có cồn, số Ấn Độ 5,9 lít; Nhật Bản 7,9 lít;… Hình 1.3 Doanh số đồ uống có cồn Việt Nam năm 2010-2019 6|Page Cồn nhiên liệu từ sắn đưa vào sản xuất nhiều sản phẩm phổ biến như: xăng sinh học E5, cồn công nghiệp, … Xăng sinh học (Biogasoline) loại nhiên liệu lỏng, có sử dụng ethanol loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì Ethanol chế biến thơng qua q trình lên men sản phẩm hữu tinh bột, xen-lu-lô, lignocellulose Ethanol pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học thay hồn tồn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống Theo Sở Công Thương Hà Nội, sản lượng tiêu thụ xăng địa bàn Hà Nội năm 2018 ước đạt khoảng 080 000 m3, lượng tiêu thụ xăng E5 RON92 chiếm khoảng 45% tổng sản lượng tiêu thụ, tương đương 495 000 m3; xăng RON95 đạt khoảng 55% tiêu thụ, tương đương 585 000 m2 Riêng tháng 10/2018, sản lượng tiêu thụ xăng địa bàn đạt 90 000m3, lượng tiêu thụ xăng E5 RON92 chiếm khoảng 45%, xăng RON95 đạt 55% Như vậy, tính từ thời điểm triển khai bán xăng E5 RON92 đến nay, tỷ lệ sử dụng tăng từ 35% lên 45% tổng lượng xăng tiêu thụ địa bàn Trên giới, nước như: Mỹ, Newzealand, Úc, Bỉ… xăng sinh học E10 sử dụng rộng rãi (theo ePeru) Đáng ý thị trường xăng E10 Phần Lan 2016 đạt 63%, Pháp đạt 32% Hình 1.4 Lượng tiêu thụ xăng E10 Mỹ giai đoạn 2014-2025 1.3 Yêu cầu kỹ thuật cồn tinh chế - theo TCVN 1052:2009 • Chỉ tiêu ngoại quan: − Chất lỏng suốt, khơng màu màu vàng, khơng có tạp chất lạ − Có mùi vị đặc trưng cho etanol sản xuất từ ngũ cốc rỉ đường • Chỉ tiêu hóa học: 7|Page Bảng 1.4 Chỉ tiêu hóa học cồn tinh chế - TCVN 1052:2009 Mức Tên tiêu Loại Loại Độ cồn (hàm lượng ethanol) 20°C, % thể tích, 96 95 Thời gian oxy hóa, tính phút, max 25 20 20 18 30 50 30 60 Hàm lượng metanol, tính % thể tích, max 0,06 0,1 Hàm lượng fufurol Không phát Hàm lượng aldehyt quy đổi aldehyt acetic lít ethanol 100°, tính mg, max Hàm lượng axit quy đổi axit acetic lít ethanol 100°, tính mg, max Hàm lượng este quy đổi este etylacetate lít ethanol 100°, tính mg, max Hàm lượng rượu bậc cao lít etanol 100º, tính mg, max 8|Page CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỒN 2.1 Quy trình truyền thống Hình 2.1 Quy trình sản xuất cồn truyền thống Hiện nay, hầu hết nhà máy Việt Nam sử dụng quy trình truyền thống để sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu chứa tinh bột Phương pháp bao gồm cơng đoạn sau: Dịch hóa (95-1050C 60 phút), Đường hóa (60-620C 30 phút), Lên men (30-320C 72 đến 84h) Chưng cất để thu cồn 96 % v/v Trên thực tế, nồng độ chất khô thường nhỏ 250 g/L − Dịch hóa: Mục đích cơng đoạn chuyển hóa tinh bột thành dextrin oligosaccharit nhờ hoạt động enzym alpha-amylase bền nhiệt Quá trình dịch hóa thường thực 95-1050C 1h, pH q trình thường từ 5,5-6,0 − Đường hóa: Sau kết thúc q trình dịch hóa, dịch chứa dextrin oligosaccharit Trong q trình đường hóa, chất cắt thành đường glucose tác dụng enzym gluco-amylase Q trình đường hóa thường thực nhiệt độ 60-620C pH từ 4,5-5,0 vòng 30 phút − Lên men: Sau kết thúc q trình đường hóa, nấm men chất dinh dưỡng bổ sung vào dịch hèm Trong trình lên men, nấm men sử dụng đường glucose để tạo ethanol, CO2 số chất khác (glycerol, axit hữu cơ, andehyt, v.v…) Đây giai đoạn quan trọng sản xuất cồn Thông thường trình lên men kết thúc sau 72-84h − Chưng cất: 9|Page Mục đích q trình để loại bỏ tạp chất chất không mong muốn (andehyt, ceton, axit hữu cơ, rượu bậc cao, v.v…) để thu ethanol nồng độ cao (96% v/v) Chất lượng cồn thu phụ thuộc vào hệ thống chưng cất Hiện nay, người ta ý đến việc quản lý chất lượng cồn sinh học cho có chất lượng cao tương đương với cồn thực phẩm • Tuy nhiên, quy trình truyền thống bộc lộ số hạn chế sau: − Tiêu thụ lượng lớn lượng cho trình dịch hóa: gia nhiệt dịch từ 300C lên 95-1050C trì dịch cháo nhiệt độ vòng 60 phút − Tổn thất lượng đường axit amin phản ứng Maillard − Cần lượng lớn nước nhiều thời gian để hạ nhiệt − Các thiết bị cồng kềnh, cần nhiều công nhân vận hành − Do trước tình lên men lượng đường dịch lớn lên dễ có khả nhiễm tạp nên cần phải sử dụng chất sát trùng hạ pH để giảm khả nhiễm tạp − Trong trình lên men, nấm men bị ức chế lượng đường cao − Năng suất thấp − Thời gian lên men dài, chi phí cịn cao Nhằm khắc phục hạn chế quy trình sản xuất cồn truyền thống, nhà khoa học tiến hành nghiên cứu phát triển công nghệ bước khắc phục hạn chế 2.2 Quy trình đường hóa lên men đồng thời (SSF) Những năm gần với đời nhiều chế phẩm enzyme đáp ứng q trình đường hóa lên men đồng thời (với enzyme hoạt động nhiệt độ thấp, nồng đồ chất rượu cao, có mặt nấm men) quy trình đường hóa lên men đồng thời số nhà máy vào hoạt động Hình 2.2 Sản xuất cồn theo quy trình đường hóa lên men đồng thời (SSF) 10 | P a g e chuỗi dài gồm 200-1000 gốc glucose Trong phân tử amylopectin, gốc glucose gắn với nhờ liên kết α-1,4-glucoside mà nhờ liên kết α-1,6glucoside Vì mà có cấu trúc nhánh Phân tử amylopectin có đầu khử 3.1.3.2 Glycogen − Là polysaccharide dự trữ thể người động vật − Glycogen có cấu tạo gần giống với amylopectin tinh bột mức độ phân nhánh nhiều Trong pahan tử glycogen có liên kết α-1,4-glucoside α-1,6glucoside liên kết α-1,6-glucoside nhiều amylopectin 3.1.4 Cơ chế tác động α-amylase từ nguồn khác có nhiều điểm giống α-amylase có khả phân cắt liên kết α-1,4-glucoside nằm phía bên phân tử chất (tinh bột glucogen) cách ngẫu nhiên, không theo trật tự α-amylase không thủy phân hồ tinh bột mà thủy phân hạt tinh bột nguyên song với tốc độ chậm Hình 3.2: Quá trình thủy phân tinh bột Quá trình thủy phân tinh bột α-Amylase trình đa giai đoạn: 15 | P a g e − Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): Chỉ số phân tử chất bị thủy phân tạo thành lượng lớn dextrin phân tử thấp (α-dextrin), độ nhớt hồ tinh bột giảm nhanh (các amylose amylopectin bị dịch hóa nhanh) − Sang giai đoạn (giai đoạn đường hóa): Các dextrin phân tử thấp tạo thành bị thủy phân tiếp tục tạo tetra-trimaltose khoogn cho màu với iod Các chấ bị thủy phân chậm α-Amylase disaccharide monosaccharide Dưới tác dụng α-Amylase, amylose bị phân gaiir nhanh thành oligosaccharide gồm 6-7 gốc glucose − Sau đó, poliglucose bị phân cắt tiếp tục tạo nên mạch polyglucose colagen ngắn dần bị phân giải chậm đến maltose Qua thời gian tác dụng dài, sản phẩm thủy phân amylose chứa 13% glucose 87% maltose − Tác dụng α-Amylase lên amylopectin xảy tương khơng phân cắt liên kết α-1,6-glucoside chỗ mạch nhánh phân tử amylopectin nên dù có chịu tác dụng lâu sản phẩm cuối cùng, ngồi accs đường nói (72% maltose 19% glucose) cịn có dextrin phân tử thấp isomaltose 8% → Tóm lại, tác dụng α-Amylase, tinh bột chuyển thành maltotetrose, maltose, glucose dextrin phân tử thấp Tuy nhiên, thông thường α-Amylase thủy phân tinh bột chủ yếu thành dextrin phân tử thấp không cho màu với Iod maltose Khả dextrin hóa cao α-Amylase tính chất đặc trưng Vì vậy, người ta thường gọi loại Amylase dextrin hóa hay Amylase dịch hóa Các giai đoạn trình thủy phân tinh bột α-Amylase: − Giai đoạn dextrin hóa: ∝−𝐴𝑚𝑦𝑙𝑎𝑠𝑒 Tinh bột → dextrin phân tử lượng thấp − Giai đoạn đường hóa: Dextrin → tetra trimaltose → di monosaccharide Amylase → Oligosaccharide → polyglucose Maltose → maltotriose → maltotetrose 3.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme α-Amylase Điều kiện hoạt động α-Amylase từ nguồn khác thường không giống 3.1.5.1 pH − α-Amylase từ nấm sợi hoạt động tốt vùng pH 4,5 – 4,8 , pH tối thích đại mạch nảy mầm thóc mầm 5,3 (có thể hoạt động tốt vùng 4,7 – 5,4) vi khuẩn 5,8 – 6,0 ( hoạt động tốt vùng pH 5,8 – 7,0) 16 | P a g e − Theo số liệu Liphis, pH tối thích cho hoạt động dextrin hóa đường hóa chế phẩm Amylase từ Asp.oryzae vùng 5,6 – 6,2 Còn theo số liệu Fenixova pH tối thích cho hoạt động dextrin hóa 6,0 – 7,0 − Độ bền tác dụng acid khác nhau: α-Amylase Asp.oryzae bền vững acid tốt α-Amylase malt vi khuẩn Bac.subtili 3.1.5.2 Nhiệt độ − Nhiệt tối thích cho hoat động xúc tác α-Amylase từ nguồn khác không đồng nhất, α-Amylase nấm sợi nhạy cảm tác động nhiệt Nhiệt độ tối thích 50oC bị vơ hoạt 70oC − α-Amylase vi khuẩn chịu nhiệt độ 92oC 3.1.5.3 Nồng độ chất − Nồng độ chất ảnh hưởng mạnh đến khối lượng chất lượng sản phẩm thủy phân phân cắt α-Amylase Nhìn chung nồng độ chất loãng, lượng đường tạo theo chất nhiều, đặc biệt nhóm đường thấp phân tử có khả lên men Tuy nhiên, tương quan khơng phải tỷ lệ thuận − Ngồi ra, thành phần amylose, amylopectin cấu trúc tinh bột yếu tố ảnh hưởng mạnh đến tác dụng thủy phân củ enzyme α-amylase Nguồn tinh bột khác ảnh hưởng đến trình thủy phân khác 3.2 Glucoamylase (Enzyme đường hóa) 3.2.1 Giới thiệu chung Glucoamylase Glucoamylase nhà khoa học Nhật tách lần từ Aspergillus awamori (Katihara, Kurushima, 1966) Sau tìm thấy Rhizopus delemar, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae nhóm vi sinh vật khác mô động vật Glucoamylase từ nấm mốc protein có khối lượng phân tử lượng dao động lớn từ 27.000 đến 112.000 Dal, tuỳ thuộc vào nguồn gốc enzyme Các glucoamylase chủ yếu tạo nên từ hai iso enzyme I II khác khả thuỷ phân tinh bột trạng thái rắn độ bền chúng Glucoamylase I tự hấp thụ thuỷ phân tinh bột trạng thái rắn, ngược lại glucoamylase II khơng có hai tính chất 3.2.2 Các tính chất glucoamylase − Enzym glucoamylase có mã số EC: 3.2.1.3 − Tên khoa học: glucan 1,4 – α – glucohydrolase 17 | P a g e − Ngồi enzym glucoamylase cịn có tên gọi khác như: amyloglucosidase; γ – amylase; lysosomal α – glucosidase; acid maltase; exo – 1,4 – α – glucoside; glucose amylase; γ – 1.4 – glucan glucohydrolase − Đặc trưng phản ứng: enzyme glucoamylase xúc tác phản ứng thủy phân liên kết 1,4 – 1,6 o – glucoside tách gốc gluco từ đầu không khử chuỗi polysaccharide − Enzym glucoamylase xúc tác phản ứng thủy phân tinh bột tách gốc glucose từ đầu không khử chuổi polysaccharide Gốc gluco từ đầu khơng khử gọi glycone, cịn chuổi oligosaccharide sau gluco tách gọi Alglycone − Cơ chế xúc tác thủy phân liên kết o – glucozit hoạt động chủ yếu cặp acid amin đóng vai trị cặp acid – base Khi tương tác với chất, acid glutamic vị trí thứ 179 đóng vai trị chất xúc tác acid, proton hóa oxi – glycosidic (phân tử oxi vị trí liên kết o – glucozit) Acid glutamic vị trí thứ 400 đóng vai trị chất xúc tác base, acid amin thu hút tạo liên kết với proton H+ phân tử nước làm giải phóng gốc OH-, gốc OH- cơng vào vị trí carbon glycosidic liên kết o – glucozit phân tử cỏ chất bị phá vỡ 3.2.3 Cấu tạo hóa học enzyme Glucoamylase Glucoamylase I glucoamylase II Cả hai dạng glucoamylase chuổi glyco – protein, phân tử có chứa D – gluco, D – maltose, D – galactose, thành phần carbonhydrate phân tử glucoamylase I chiếm khoảng 18%, với phân tử glucoamylase II 10% Phân tử carbonhydrate tham gia thành phần cấu tạo enzyme glucoamylase đóng vai trị giúp ổn định cấu trúc enzyme Ngồi chúng cịn giúp tạo liên kết với chất phân tử polysaccharide giúp cho vùng xúc tác enzym gần với chất hơn, q trình thủy phân enzyme thuận lợi Thành phần acid amine tham gia tạo thành chuổi polypeptid phân tử glucoamylase khác enzyme glucoamylase thu nhận từ nguồn khác Số lượng acid amine tham gia vào chuổi polypeptid cấu tạo nên phân tử glucoamylase thu nhận từ nấm mốc Aspergillus niger Aspergillus awamori khoảng 650 – 700 acid amin Các acid amin tham gia trung tâm hoạt động enzyme glucoamylase bao gồm acid glutamic, tryptophan, tyrosin, asparagin, acid aspatic, lysin, serin Trong acid glutamic vị trí thứ 179 400 đóng vai trị việc xúc tác thủy phân liên kết O – glucozit chất 18 | P a g e Hình 3.3: Sơ đồ cấu tạo trung tâm hoạt động enzyme glucoamylase 3.2.4 Cấu trúc không gian enzym glucoamylase Trong không gian, phân tử glucoamylase chia làm ba vùng với chức riêng biệt: − Vùng SBD (Starch binding domain: vùng gắn kết với tinh bột) có kích thước khoảng 30 A0 Giữ chức liên kết với phân tử chất − Vùng CD (Catalyse Domain: vùng xúc tác) có kích thước khoảng 60 A0, giữ chức xúc tác phản ứng thủy phân liên kết O – glucozit − Vùng Linker có độ dài khoảng 100 A0 liên kết hai vùng lại với Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc khơng gian Enzyme Glucoamylase 3.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác enzyme glucoamylase 3.2.5.1 Nhiệt độ 19 | P a g e Nhiệt độ yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác enzym, tăng nhiệt độ lên 100C vận tốc phản ứng enzyme tăng lên gấp đôi, tăng nhiệt độ lên cao vượt nhiệt độ tối ưu enzyme bắt đầu biến tính, vận tốc phản ứng enzyme giảm xuống Mỗi enzyme hoạt động khoảng nhiệt độ định, enzyme glucoamylase hoạt động khoảng 200C – 750C Nhiệt độ tối ưu cho hoạt động enzym glucoamylase: 400C – 650C 3.2.5.2 pH pH yếu tố có ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng enzym, pH thay đổi có ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa tham gia trung tâm hoạt động enzym nhóm α – COOH, ω – COOH, – NH2, – OH Khoảng pH mà enzym glucoamylase hoạt động từ – 8, pH tối ưu: – 5.5 3.2.5.3 Các chất ức chế Enzyme glucoamylase bị ức chế ion kim loại Al3+, Hg2+, Pb2+, Ni2+,Cu2+ Ngoài ra, chất tinh bột schardinger dextrin hoạt động chất ngăn cản khả tạo phức hợp enzyme glucoamylase tinh bột Với chất maltose mơi trường có diện gentitobiose, mantitol với nồng độ khoảng 20mM ức chế hoạt động enzyme glucoamylase 3.2.5.4 Các chất hóa học Khi cho thêm vào môi trường phản ứng dung môi như: chloroform, hexane, n – deoecane với nồng độ khoảng 50% làm tăng hoạt tính glucoamylase lên lần so với mơi trường có nước chất dung môi Các chất 2,2’ – dipyridyl, iodoacetamyde làm tăng hoạt tính enzym glucoamylase 3.2.6 Cơ chế tác động Enzym glucoamylase có khả thủy phân mạnh mẽ liên kết – 1,4 lẫn – 1,6 glucoside phân tử tinh bột Hình 3.5: Sơ đồ phân giải enzyme glucoamylase Khả thuỷ phân mạnh mẽ liên kết – 1,4 lẫn – 1,6 glucoside glucoamylase để tạo thành glucose đưa enzyme lên hàng đầu hiệu lực xúc tác thuỷ phân tinh bột Vì 20 | P a g e việc dùng chế phẩm glucoamylase từ chủng vi sinh vật việc sản xuất bia, rượu, mật, glucose… có ý nghĩa triển vọng lớn Enzyme glucoamylase xúc tác tách gốc glucose từ đầu không khử chuỗi polysaccharide Gốc glucose từ đầu không khử gọi glycone, chuỗi oligosaccharide sau glucose tách gọi alglycone Cơ chế xúc tác thủy phân liên kết O – glucoside hoạt động chủ yếu cặp acid amin đóng vai trị cặp acid – base Khi tương tác với chất, acid glutamic vị trí thứ 179 đóng vai trị chất xúc tác acid, proton hóa oxi – glycosidic (phân tử oxi vị trí liên kết o – glucoside) Acid glutamic vị trí 400 đóng vai trị chất xúc tác base, acid amin thu hút tạo liên kết với proton H+ phân tử nước làm giải phóng gốc OH-, gốc OH- cơng vào vị trí carbon glycosidic liên kết o – glucoside phân tử chất bị phá vỡ Glucoamylase thuỷ phân tinh bột thành dextrin có phân tử thấp, liên tục tách gốc glucose cuối tạo sản phẩm glucose Glucoamylase thuỷ phân tinh bột, glycogen, polysaccharide đồng loạt liên – 1,4 – 1,6 glucoside Nó có giá trị đặc biệt ngành sản xuất rượu, chuyển dextrin có phân tử lượng cao khơng lên men thành hợpchất lên men nâng cao hiệu suất lên men rượu từ nguyên liệu tinh bột Các chế phẩm enzyme glucoamylase tách chiết từ tế bào vi sinh vật có điểm giống nhau, song chúng có vài điểm khác Ngay chế phẩm tách từ chủng nấm mốc Aspergillus khác nhau, chí chủng lồi khác đặc điểm tính chất lý, hố, phân tử lượng, thành phần acid amin, tính đặc hiệu với chất điều kiện hoạt động 3.3 Các chế phẩm enzyme 3.3.1 Spezyme alpha − Là enzyme có chất α-amylase thu loại biến đổi gen chủng Bacillus licheniformis − Đây chế phẩm enzyme bền nhiệt có nhiệt độ tối ưu 83 – 85°C, có pH tối ưu 5,7 – 5,8 có hoạt lực 13,775 AAU/g − Tác dụng: Thủy phân liên kết α-1,4-glucoside để giảm thiểu nhanh chóng độ nhớt hồ tinh bột sản xuất dextrin hòa tan oligosaccharide điều kiện quy trình khác − Liều lượng sử dụng: 0,2 – 0,24 kg/tấn − Hãng sản xuất: DuPont 3.3.2 Distillase − Distilase chế phẩm sản xuất từ hệ thống enzyme để thủy phân tinh bột thành đường q trình đường hóa lên men đồng thời (SSF) tạo thành ethanol 21 | P a g e − − − − − Nó có chất từ enzyme: α-amylase, glucoamylase, glucan hydrolyase Aspergillopepsin Các enzyme có Distilase tạo chủng biến đổi gen Trichoderma reesei Công dụng: o Distilase cải thiện suất lên men tính ổn định Nó giúp giảm thiểu phần tinh bột cịn sót lại tăng cường dinh dưỡng nấm men o Glucoamylase Distilase nhanh chóng chuyển đổi dextrin thành glucose phạm vi pH rộng (4.0-5.8) Kết cho chuyển hóa nhanh 5-10% so với sản phẩm cồn ban đầu o 𝛼-amylase Distilase thủy phân hiệu tinh bột o Protease giúp thủy phân chất protein tạo điều kiện cho trình thủy phân tinh bột Nó làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng cần thiết cho nấm men axit amin, peptid nitơ amin tự Chế phẩm ezyme sử dụng nhiệt độ tối ưu 28 – 35oC, có pH tối ưu 4,0 – 4,5 có hoạt lựclà 380 GAU/g Liều lượng sử dụng: 0,06 – 0,08% w/w Hãng sản xuất: DuPont 3.3.3 Termamyl 120L, type L − Termamyl chế phẩm enzym lỏng có chứa α-amylase bền nhiệt vượt trội thu loại biến đổi gen chủng Bacillus licheniformis Tên hệ thống enzyme 1,4- α-D-glucan glucano-hydrolase (EC 3.2.1.1) − Hoạt động ổn định có mặt 50 – 70ppm Ca2+ − Tác dụng: thủy phân liên kết α-1,4 glycosidic amylose amylopectin nhiệt độ cao (trên nhiệt độ hồ hóa tinh bột 80 – 85°C) Do đó, tinh bột bị phân hủy nhanh chóng thành dextrin oligosaccharid hịa tan Từ làm giảm độ nhớt khối dịch nhanh chóng − Termamyl thể hoạt động tối ưu khoảng pH 5,0 – 6,0 (pH làm việc từ 3,5 – 8,5) 90 – 110°C − Hoạt lực: 120 KNU/g − Liều lượng sử dụng: 0,05%w/w − Hãng sản xuất: Novozyme 3.3.4 Stargen − Enzyme thủy phân tinh bột dạng hạt thành đường q trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời (SLSF) có chất glucoamylase từ chủng Aspergillus niger (với Stargen 001) Trichoderma reesei (với Stargen 002) 𝛼-amylase từ chủng Aspergillus kawachii 22 | P a g e − Cơ chế: glucoamylase có tác dụng tạo lỗ bề mặt tinh bột làm tăng tiếp cận 𝛼-amylase với tinh bột 𝛼-amylase có tác dụng mở rộng lỗ tạo dextrin làm tăng khả thủy phân glucoamylase giúp giải phóng glucose liên lục, tạo điều kiện thuận lợi cho trình SLSF mà khơng cần gia nhiệt Hình 3.6 Biến đổi tinh bột theo thời gian tác dụng enzyme Stargen − Những ưu điểm sử dụng Stargen trình SLSF: o Giữ khả hoạt động cao quy trình SLSF o Khơng nấu → Năng lượng đầu vào hơn, tiết kiệm nước dùng để hạ nhiệt độ o Ít sản phẩm phụ → Năng suất ethanol cao o Có thể thủy phân tinh bột sống nhiệt độ lên men → Thực q trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời → Ít thiết bị o Có thể thủy phân nồng độ chất khô cao → tiết kiệm lượng cho trình chưng cất nâng cao suất → giảm giá thành sản phẩm o Giảm thời gian sản xuất, tăng suất thu cồn − Stargen 001 hoạt động tối ưu nhiệt độ 20 – 40oC, pH khoảng 4,0 – 4,5 có hoạt lực 456 GSHU/g Liều lượng sử dụng: 1,0 – 2,5 kg/tấn NL − Stargen 002 hoạt động tối ưu nhiệt độ 20 – 40oC, pH khoảng 4,0 – 4,5 có hoạt lực 570GAU/g Liều lượng sử dụng: 1,52mL/kg nguyên liệu − Hãng sản xuất: DuPont 3.3.5 Amigase Mega L − Amigase Mega L sản phẩm dạng lỏng, cô đặc cao, có chất glucoamylase Amigase Mega L chiết xuất từ chủng Aspergillus niger chọn lọc 23 | P a g e − Tác dụng: thủy phân toàn dextrin thành glucose đường lên men, từ tất loại tinh bột Từ đó, cho phép kết hợp với Stargen 002 quy trình SLSF để thủy phân tinh bột sống thành đường để lên men − Amigase Mega L hoạt động tối ưu nhiệt độ 20 – 40oC, pH khoảng 3,5 –5,0 có hoạt lực 36000 AGI/g − Liều lượng sử dụng: 0,3mL/kg nguyên liệu − Hãng sản xuất: DSM Food specialties 3.4 Các loại enzyme hỗ trợ Bảng 3.1: Các loại enzyme hỗ trợ công dụng chúng 𝛽 – glucanaza, Proteaza Xylanaza, Phytaza Cellulaza • Làm giảm độ • Phân cắt protein bao quanh hạt • Tăng hiệu nhớt dịch tinh bột, giúp enzyme amylase dễ q trình dịch • Giúp cải thiện dàng tiếp xúc với hạt tinh bột hóa, giải phóng (SLSF) phốt inosit cho q trình • Thủy phân protein dịch cháo, • Giảm độ nhớt chất khơ cao giải phóng axit amin – nguồn Nitơ dịch bột, tăng khả • Giúp thủy phân cho nấm men sử dụng, từ giúp năn/g dịch hóa nấu nồng độ • Giảm liều lượng màng cellulose tăng tốc độ trình lên men, giảm bao bọc tinh bột thời gian lên men hiệu suất lên alpha amylase sử số loại men dụng nguyên liệu từ • Bổ sung protease giúp giảm lượng • Dễ dàng cho nấu giúp giải ure cần bổ sung vào chí dịch có nồng độ phóng tinh bột đủ protease, việc bổ sung ure chất khơ cao từ làm q khơng cần thiết trình dịch hóa • Giảm đóng cặn protein diễn dễ giảm độ nhớt nguyên liệu lúa dàng mì 24 | P a g e ❖ Các chế phẩm enzyme hỗ trợ: 3.4.1 ACCELLERASE 1500 − ACCELLERASE 1500 cellulase phức hợp enzym dành riêng cho ngành công nghiệp chế biến sinh khối lignocellulosic, bao gồm nhiên liệu tái tạo hóa chất (Vật liệu lignocellulosic cấu tạo chủ yếu từ xenlulo, hemixenlulo betaglucan liên kết với với lignin, pectin, protein, tinh bột lipid) − Chế phẩm Enzyme thu loại biến đổi gen chủng Trichoderma reesei − ACCELLERASE 1500 bước tiến quan trọng để hướng tới nhiều sản xuất xenlulo theo quy mô thương mại hiệu chi phí ethanol tạo điều kiện phát triển quy trình quy mơ ngành cơng nghiệp − Chế phẩm Accellerase 1500 có nhiệt độ tối ưu 50 – 65°C, độ pH tối ưu khỏang từ 4,0 – 5,0 hoạt lực 2200 CMC U/g − Tác dụng: Phức hợp enzyme ACCELLERASE 1500 thủy phân cacbohydrat lignoxenluloza thành monosaccarit lên men vật liệu hỗ trợ xử lý cách hóa lỏng giảm độ nhớt → q trình lên men diễn nhanh − Liều lượng: 0,1 – 0,5mL/ g cenlulose 0,05 – 0,25mL/ g sinh khối (tùy thuộc vào sinh khối chế phẩm − Hãng sản xuất: DuPont 3.4.2 Optimash TBG − Là phức hợp enzym beta-glucanase, xylanase cellulase Thuộc loại enzyme thực phẩm EC 3.2.1.4 − Đây chế phẩm enzyme bền nhiệt có nhiệt độ tối ưu 75 – 85°C, có pH tối ưu 4,5 – 6,0 có hoạt lực 5625 U/g − Chế phẩm chủ yếu dùng ngành công nghiệp sản xuất ethanol để phân cắt polysaccarides Hoạt tính Optimash endo-1,3- β-glucanase xúc tác trình thủy phân ngoại mạch liên kết 1,3, 1,4 β-D glucans − Nhiệt độ cao phức hợp enzyme beta-glucanase, xylanase cellulase có hoạt tính cao để giảm độ nhớt nhanh chóng − Được sử dụng quy trình SSF với liệu lượng 2812 U/kg bột sắn với quy trình SLSF 3234 U/kg − Hãng sản xuất: DuPont 25 | P a g e 3.4.3 Fermgen − FERMGEN chế phẩm protease có đặc điểm có khả thủy phân protein điều kiện pH thấp Tính đặc hiệu chất với nhiều chất FERMGEN cho phép enzyme thủy phân cách dễ dàng hiệu hầu hết protein cách ngẫu nhiên Protease thu cách lên men có kiểm sốt biến đổi gen chọn lọc dòng Trichoderma reesei − Tác dụng: o Tốc độ suất lên men ethanol nhanh nguyên liệu có nguồn gốc từ ngơ, lúa mạch lúa mì so với ngun liệu khơng (ít) có protease thành phần o Thủy phân protein cung cấp nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho nấm men dạng axit amin, peptit nitơ amin tự o Thủy phân protein nguyên liệu, tạo điều kiện cho trình thủy phân tinh bột sống, giảm thời gian lên men tăng suất o Mang nhiều giá trị sản xuất so với loại enzyme loại thị trường enzyme GC 106 − Fermgen có nhiệt độ tối ưu 28 – 35°C pH tối ưu 4,0 – 5,0 − Hoạt lực là: 1000 SAPU/g − Liều lượng sử dụng: 0,5 – 1,0 kg/tấn NL − Hãng sản xuất: DuPont 26 | P a g e Bảng 3.2: Các chế phẩm enzyme sử dụng công nghiệp sản xuất cồn STT Enzyme Stargen 001 Bản chất Glucoamylase 𝛼-amylase pH tối ưu Nhiệt độ tối ưu Liều dùng Hoạt lực 4,0 – 4,5 20 – 40°C 1,0 – 2,5 kg/tấn NL 456 GSHU/g 570 GAU/g 240 Stargen 002 4,0 – 4,5 20 – 40°C 1,52 mL/kg NL Termamyl SC 5,5 – 6,0 85 – 90°C 100 – 350 g/tấn NL KNU-S/g Termamyl L, type L 5,0 – 6,0 90 – 110°C 0,05%w/w 120 KNU/g Spezyme Xtra 5,0 – 6,7 80°C 0,2 – 0,4 kg/ NL 14000 AAU/g Spezyme Alpha 5,7 – 5,8 83 – 85°C 0,2 – 0,24 kg/tấn NL 13,775 AAU/g Mats L classic 5,7 – 7,5 85 – 90°C 0,22 – 0,40 g/ NL – Liquozyme SC DS 5,0 – 6,0 85°C 0,1 – 0,15 kg/ NL KNU-S/g Amigase Mega L 4,0 – 4,5 55 – 60°C 0,3mL/kg NL 36000 AGI/g 10 Distillase L400 – 4,5 58 – 65°C 0,06 – 0,08% w/w 350 GAU/g 11 Distillase ASP 4,0 – 4,5 58 – 65°C 0,05 – 0,075% w/w 580 TGAU/g 12 Dextrozyme GA 4,2 – 4,5 60 – 62°C 0,48 – 0,84 kg/ NL – 13 AMG 300L BrewQ 4,3 – 5,0 60 – 70°C 0,91 kg/tấn NL 260 AGU/ml 14 Optimash TBG 4,5 – 6,0 75 – 85°C 0,5 kg/tấn NL (SSF) 0,575 5625 U/g 𝛼-amylase Glucoamylase 𝛽-glucanase 240 27 | P a g e STT Enzyme Bản chất pH tối ưu Nhiệt độ tối ưu Liều dùng Hoạt lực kg/tấn NL (SLSF) 15 Optimash VR 5,0 – 6,0 75 – 85°C – – 16 Filtrase NL 3,7 – 4,5 70 – 80°C – – 17 Viscozyme Cassava R 4,0 – 5,0 40 – 50°C 0,1 – 0,3 kg/tấn NL 100 FBG/g 18 Accellerase 1500 4,0 – 5,0 50 – 65°C 0,1 – 0,5mL/g cellulose 2200 CMC U/g 19 Accellerase BG 4,0 – 6,0 30 – 55°C 0,009 – 0,18 mL/g cellulose 3000 pNPGU/g 20 Multifect Xylanase Xylanase 4,8 – 5,2 50 – 60°C 25 – 75 ppm 8000 GXU/ml 21 Fermgen Protease 4,0 – 5,0 28 – 35°C 0,5 – 1,0 kg/tấn NL 1000 SAPU/g Cellulase 28 | P a g e TÀI LIỆU THAM KHẢO https://informaconnect.com/world-ethanol-production-to-rebound-in-2021/ https://www.statista.com/statistics/281606/ethanol-production-in-selectedcountries/ https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/industrial-alcoholmarket/methodology “Pilot scale simultaneous saccharification and fermentation at very high gravity of cassava flour for ethanol production”, Chinh-Nghia Nguyen, Thanh-Mai Le, Son Chu-Ky, 2014 “Simultaneous liquefaction, saccharification and fermentation at very high gravity of rice at pilot scale for potable ethanol production and distillers dried grains composition”, Chu Kỳ Sơn cộng sự, 2015 Slide “sử dụng enzyme công nghệ nấu sản xuất cồn”, PGS TS Nguyễn Thanh Hằng Catalogue enzyme Spezyme alpha, Distillase, Stargen, Accellerase, Optimash TBG, Fermgen hãng Dupont Catalogue enzyme Termamyl 120L, type L hãng Novozyme Cotaloge enzyme Amigase Mega L hãng DSM Food specialties 10 Đồ án tốt nghiệp – Trần Thị Mơ Lê Thị Thùy Linh, 2021 29 | P a g e ... ứng nhu cầu sử dụng người dân Ngoài sản xuất rượu, Việt Nam trọng đến sản xuất cồn nhiên liệu từ sản phẩm nơng sản sắn nguồn nguyên liệu sử dụng nhiều với nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu từ sản. .. không ngừng ngành công nghiệp enzyme cho đời nhiều loại chế phẩm enzyme với nhiều đặc tính, cơng dụng chức khác thỏa mãn nhu cầu công nghệ trình sản xuất cồn làm cho trình sản xuất cồn ngày rút gọn... loại enzyme sử dụng công nghiệp sản xuất cồn chế phẩm chúng 13 | P a g e CHƯƠNG 3: CÁC LOẠI ENZYME TRONG CNSX CỒN 3.1 Alpha Amylase (Emzyme dịch hóa) 3.1.1 Giới thiệu chung enzyme α-amylase Là enzyme