Nghiên cứu tạo isomaltooligosaccharide (imo) từ tinh bột khoai lang bằng đường hóa gắn nhánh đồng thời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu tạo Isomaltooligosaccharide (IMO) từ tinh bột khoai lang đường hóa – gắn nhánh đồng thời HỒNG MINH TRÍ tri.hmtcb190021@sis.hust.edu.vn Ngành Cơng nghệ thực phẩm Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Lương Hồng Nga Viện: Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm HÀ NỘI, 10/2020 LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu hồn thành luận văn em nhận giúp đỡ tận tình thầy cơ, bạn bè, bác bảo vệ, người thân gia đình Trước hết, em xin bày tỏ lịng kính trọng cảm ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Lương Hồng Nga tận tì̀nh hướng dẫn, động viên, quan tâm tạo điều kiện giúp đỡ em suốt q trì̀nh thực hồn thành luận án nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn Ths Dương Hồng Quân tận tình quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện cho em hoàn thành luận án Em xin cảm ơn thầy cô giáo Viện Công nghê Sinh học Công nghệ Thực phẩm - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giảng dạy cho em kiến thức bản, tạo điều kiện thuận lợi cho em trình học tập nghiên cứu Em xin dành lời cảm ơn tới gia đình, người thân bạn bè ủng hộ, động viên, giúp đỡ em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2020 Học viên Hồng Minh Trí TĨM TẮT LUẬN VĂN IMO prebiotics tiềm cho người, với nhiều lợi ích cho sức khỏe IMO sản xuất chủ yếu từ tinh bột nhờ hoạt động enzyme Thị trường IMO ngày phát triển, nhiều nghiên cứu thực rộng rãi cấp học thuật, thử nghiệm cơng nghiệp để tìm kiếm quy trình để nâng cao hiệu suất tạo thành IMO, đồng thời tiết kiệm lượng, thời gian Việc kết hợp q trình đường hóa gắn nhánh đồng thời hướng nhận nhiều quan tâm lợi ích to lớn mà mang lại Mục tiêu nghiên cứu hướng đến xây dựng quy trình sản xuất isomaltooligosaccharide (IMO) enzyme sử dụng phương pháp đường hóa – gắn nhánh đồng thời từ tinh bột khoai lang Hoàng Long Sau nghiên cứu khả dịch hóa tinh bột khoai lang enzyme α-amylase chế phẩm lựa chọn Spezyme Xtra chế phẩm phù hợp với thông số: Nồng độ tinh bột: 25%w/w; nồng độ enzyme α-amylase: CU/g tinh bột khô; pH 5.8; thời gian dịch hóa: 30 phút; nhiệt độ phản ứng 80 ℃ Q trình đường hóa – gắn nhánh đồng thời thực sau diệt enzyme α-amylase, điều chỉnh thơng số q trình nhiệt độ, pH, thời gian, nồng độ enzyme beta- amylase, pullulase, transglucosidase, tạo điều kiện thuận lợi cho khả tạo thành IMO Kết nghiên cứu cho thấy thơng số tối thích q trình đường hóa – gắn nhánh đồng thời bao gồm: Nhiệt độ 50°C; pH 5.0; nồng độ enzyme β-amylase: U/g; nồng độ enzyme Pullulanase: 0.8 U/g; nồng độ Transglucosidase: 10 U/g; thời gian: 12 Hàm lượng IMO sản phẩm tính tổng hàm lượng IMO , IMO IMO thu 68.85 ± 1.82 g/l Từ khóa: khoai lang, tinh bột, isomaltooligosaccharide, IMO, đường hóa – gắn nhánh đồng thời HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC VIẾT TẮT v CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ISOMALTOOLIGOSACCHARIDE 1.1 1.2 KHÁI NIỆM, VAI TRÒ, THỊ TRƯỜNG CỦA ISOMALTOOLIGOSACCHARIDE 1.1.1 Khái niệm isomaltooligosaccharide (IMO) 1.1.2 Vai trò IMO với thể 1.1.3 Thị trường IMO giới SẢN XUẤT ISOMALTOOLIGOSACCHARIDE (IMO) 1.2.1 Quy trình sản xuất IMO thông thường (không đồng thời) 1.2.2 Quy trình sản xuất IMO đường hóa gắn nhánh đồng thời……… 1.2.3 Nguyên liệu sản xuất IMO 11 1.2.4 Enzyme sản xuất IMO 14 1.2.5 Các cơng trình nghiên cứu sản xuất IMO 22 CHƯƠNG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1 2.2 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 25 2.1.1 Nguyên liệu tinh bột 25 2.1.2 Chế phẩm Enzyme 25 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27 2.2.1 Phương pháp xác định hàm lượng carbohydrate tổng số 27 2.2.2 Phương pháp xác định hoạt độ enzyme α-amylase 27 2.2.3 Phương pháp xác định hoạt độ enzyme β – amylase 27 2.2.4 Phương pháp xác định hoạt độ enzyme Pullulanase 28 2.2.5 Phương pháp xác định hoạt độ enzyme Transglucosidase 28 2.2.6 Phương pháp loại bỏ đường glucose, maltose, maltotriose hỗn hợp IMO sản phẩm nấm men Saccharomyces cerevisiae 28 2.2.7 Phương pháp định tính thành phần hỗn hợp đường sắc kí mỏng (TLC) 29 2.2.8 Phương pháp xác định hàm lượng thành phần oligosaccharides máy sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC) 29 2.2.9 2.3 Phân tích thống kê 30 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 30 2.3.1 Lựa chọn chế phẩm Alpha amylase phù hợp cho q trình dịch hóa……… 30 2.3.2 Nghiên cứu thông số q trình đường hóa gắn nhánh đồng thời… 31 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Nghiên cứu lựa chọn chế phẩm enzyme Alpha amylase phù hợp cho trình dịch hóa 34 3.2 Ảnh hưởng pH đến tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời 35 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời 36 3.4 Ảnh hưởng nồng độ enzyme β-amylase đến tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời 37 3.5 Ảnh hưởng nồng độ enzyme pullulanase đến tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời 38 3.6 Ảnh hưởng nồng độ enzyme transglucosidase đến tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời 39 3.7 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời 40 CHƯƠNG KẾT LUẬN 42 4.1 Kết luận 42 4.2 Hướng phát triển đề tài tương lai 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC 49 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc loại isomaltooligosaccharide [78] Hình 1.2: Quy trình sản xuất IMO thơng thường từ tinh bột Hình 1.3: Quy trình sản xuất IMO đường hóa gắn nhánh đồng thời nghiên cứu Niu cộng [34] Hình 1.4 Thành phần đường dịch sau đường hóa sau đường hóa - gắn nhánh đồng thời 10 Hình 1.5 Cấu trúc Amylose [81] 11 Hình 1.6: Cấu trúc Amylopectin [81] 12 Hình 1.7: Mơ hình tác dụng enzyme α – amylase [26] 15 Hình 1.8: Sản phẩm thủy phân amylose enzyme β – amylase [48] 17 Hình 1.9: Sản phẩm thủy phân amylopectin enzyme β – amylase [48] 17 Hình 1.10: Sản phẩm tạo thành các nhóm enzyme pullulanase [52] 18 Hình 1.11: Cơ chế phản ứng tạo isomaltooligosacchride sử dụng enzyme transglucosidase [80] 21 Hình 1.12: Cơ chế gắn nhánh enzyme Transglucosidase 22 Hình 3.1: Thành phần dịch sau thủy phân sử dụng chế phẩm enzyme αamylase 35 iii DANH MỤC BẢNG Bảng1.1: Danh sách maltooligosacchrides (MOS) isomaltooligosacchrides (IMOS) có DP=2-10 [9] Bảng 1.2: Hàm lượng dinh dưỡng củ khoai lang [40] 12 Bảng 1.3: Sản phẩm tạo thành các nhóm enzyme pullulanase [52] 19 Bảng 1.4: Sự tác động enzyme lên mạch nhánh carbohydrate 20 Bảng 2.1: Thông số chế phẩm enzyme……………………………………… 26 Bảng 3.1: Thành phần dịch hóa tinh bột khoai lang sử dụng chế phẩm enzyme α-amylase 34 Bảng 3.2: Ảnh hưởng pH đến hàm lượng IMO 234 tạo thành 36 Bảng 3.3: Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến hàm lượng IMO 234 tạo thành 36 Bảng 3.4: Ảnh hưởng nồng độ enzyme β-amylase đến hàm lượng IMO 234 tạo thành 37 Bảng 3.5: Ảnh hưởng nồng độ enzyme pullulanase đến hàm lượng IMO 234 tạo thành 38 Bảng 3.6: Ảnh hưởng nồng độ enzyme transglucosidase đến hàm lượng IMO 234 tạo thành 39 Bảng 3.7: Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến hàm lượng IMO 234 tạo thành 40 iv DANH MỤC VIẾT TẮT IMO: Isomaltooligosaccharide CU: Đơn vị hoạt độ enzyme alpha amylase xác định phương pháp Ceralpha, Megazyme U: Đơn vị hoạt độ enzyme (Unit) DP1: Glucose DP2: Maltose DP3: Maltotriose DP4: Maltotetraose DP5: Maltopentaose DP6: Maltohexaose DP7: Maltoheptaose DP8: Maltooctaose DP9: Maltononaose DP10: Maltodecaose DP1-10: Tổng hàm lượng DP1, DP2, DP3, DP4, DP5, DP6, DP7, DP8, DP9, DP10 DP2-6: Tổng hàm lượng DP2, DP3, DP4, DP5, DP6 IMO : Isomaltose IMO : Isomaltotriose IMO : Isomaltotetraose IMO 234 : Tổng hàm lượng IMO , IMO IMO BPNPG7: Non-reducing-end blocked p-nitrophenyl maltoheptaoside PNPβ-G3: p-nitrophenyl- –D-maltotrioside v CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ISOMALTOOLIGOSACCHARIDE 1.1 KHÁI NIỆM, VAI TRÒ, THỊ TRƯỜNG CỦA ISOMALTOOLIGOSACCHARIDE 1.1.1 Khái niệm isomaltooligosaccharide (IMO) Từ quan điểm hóa học nghiêm ngặt, isomaltooligosaccharides (IMOS) phân tử ngắn tuyến tính đơn vị D-glucose liên kết liên kết α-1,6 glycosidic Tuy nhiên, định nghĩa rộng hơn, chúng chấp nhận glucooligosacaride phân nhánh tạo vòng với đơn vị glucose liên kết với liên kết α-1,6 glycosidic, α-1,3 glycosidic α-1,2 glycosidic kết hợp với liên kết α-1,4 glycosidic Cấu trúc tính chất IMOS phụ thuộc vào mức độ trùng hợp (DP) chúng (thường từ đến 10 đơn vị glucose), loại liên kết (α-1,2; 3, glycosidic), tỷ lệ vị trí loại liên kết [1], [2], [3] Đặc tính prebiotic IMOS liên kết glycosidic, liên kết α1,4 glycosidic liên kết cịn lại khơng dễ bị thủy phân hệ enzyme đường ruột, chất thích hợp cho enzyme vi sinh vật có lợi đường ruột, lactobacilli bifidobacteria hoạt động Mức độ trùng hợp tỷ lệ α-1,4 glycosidic liên kết khác yếu tố quan trọng khả tiêu hóa chuyển hóa IMOS hệ vi sinh vật đường ruột [4][5] Danh sách IMOS tuyến tính phân nhánh bao gồm isomaltose, isomaltotriose, isomaltotetraose, panose, isopanose, glucose-maltotriose, nigerose, nigerotriose, kojibose, centose Một nhóm quan trọng khác isomaltooligosaccharide mạch vịng (CIs), nhóm hình thành đơn vị glucose liên kết liên kết α-1,6 glycosidic, gọi cyclodextrans DP cyclodextrans nằm khoảng từ đến 12 [6], [7], [8] Biểu diễn sơ đồ loại IMO khác hiển thị hình 1.1 Trang | Phụ lục 2.3 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nhiệt độ 55℃ Phụ lục 2.4 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nhiệt độ 60℃ Trang | 53 Phụ lục 2.5 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nhiệt độ 65℃ Phụ lục 2.6 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nhiệt độ 70℃ Trang | 54 Phụ lục 3: ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ ENZYME BETA AMYLASE ĐẾN SỰ TẠO THÀNH IMO BẰNG ĐƯỜNG HÓA GẮN NHÁNH ĐỒNG THỜI Phụ lục 3.1 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ beta – amylase 1U/g Phụ lục 3.2 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ beta – amylase 2U/g Trang | 55 Phụ lục 3.3 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ beta – amylase 3U/g Phụ lục 3.4 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ beta – amylase 4U/g Trang | 56 Phụ lục 3.5 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ beta – amylase 5U/g Trang | 57 Phụ lục 4: ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ ENZYME PULLULANASE ĐẾN SỰ TẠO THÀNH IMO BẰNG ĐƯỜNG HÓA - GẮN NHÁNH ĐỒNG THỜI Phụ lục 4.1 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ pullulanse 0.2U/g Phụ lục 4.2 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ pullulanse 0.4U/g Trang | 58 Phụ lục 4.3 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ pullulanse 0.6U/g Phụ lục 4.4 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ pullulanse 0.8U/g Trang | 59 Phụ lục 4.5 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ pullulanse 1.0U/g Trang | 60 Phụ lục 5: ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ ENZYME TRANSGLUCOSIDASE ĐẾN SỰ TẠO THÀNH IMO BẰNG ĐƯỜNG HÓA – GẮN NHÁNH ĐỒNG THỜI Phụ lục 5.1 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ transglucosidase 3U/g Phụ lục 5.2 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ transglucosidase 5U/g Trang | 61 Phụ lục 5.3 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ transglucosidase 10U/g Phụ lục 5.4 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ transglucosidase 15U/g Trang | 62 Phụ lục 5.5 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ transglucosidase 20U/g Phụ lục 5.6 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ transglucosidase 25U/g Trang | 63 Phụ lục 5.7 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời nồng độ transglucosidase 30U/g Trang | 64 Phụ lục 6: ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN PHẢN ỨNG ĐẾN SỰ TẠO THÀNH IMO BẰNG ĐƯỜNG HÓA – GẮN NHÁNH ĐỒNG THỜI Phụ lục 6.1 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời thời gian phản ứng Phụ lục 6.2 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời thời gian phản ứng 12 Trang | 65 Phụ lục 6.3 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời thời gian phản ứng 24 Phụ lục 6.4 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời thời gian phản ứng 36 Trang | 66 Phụ lục 6.5 Sự tạo thành IMO đường hóa - gắn nhánh đồng thời thời gian phản ứng 48 Trang | 67 ... trình sản xuất isomaltooligosaccharide (IMO) enzyme sử dụng phương pháp đường hóa – gắn nhánh đồng thời từ tinh bột khoai lang Hoàng Long Sau nghiên cứu khả dịch hóa tinh bột khoai lang enzyme α-amylase... isomaltooligosaccharide (IMO) tinh bột khoai lang enzyme đường hóa – gắn nhánh đồng thời Nội dung nghiên cứu đề tài: Nội dung 1: Nghiên cứu lựa chọn chế phẩm enzyme alpha amylase giai đoạn dịch hóa tinh bột khoai lang. .. dung 2: Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến tạo thành IMO đường hóa – gắn nhánh đồng thời: Trang | 23 • Nghiên cứu ảnh hưởng pH đến tạo thành IMO đường hóa – gắn nhánh đồng thời • Nghiên cứu ảnh