4.1 Giới thiệu
Việc thuỷ phân tinh bột có thể được thực hiện bằng hoá chất và cũng có thể được thực hiện bằng enzyme, nhưng việc sử dụng enzyme để thuỷ phân được phổ biến hơn bởi vì có thể cho năng suất glucose cao hơn, và ít sản phẩm phụ hơn. Trong những năm gần đây dạng xirô có hàm lượng fructose cao được sản xuất từ việc đồng hoá xirô có chứa hàm lượng glucose cao, đã trở thành lối ra chính yếu của việc thuỷ phân tinh bột, và điều này đã thúc đẩy việc sử dụng enzyme để thuỷ phân tinh bột trong tương lai.
Sản phẩm thứ hai sử dụng enzyme là xirô có hàm lượng maltose cao, mặc dù việc này không quan trọng và cũng không phát triển nhanh chóng như sản phẩm xirô có hàm lượng glucose cao, nhưng việc sử dụng enzyme và điều kiện sản xuất khác nhau này cũng phải được thực hiện và chú trọng ở mức độ độc lập.
Sáu enzyme thuỷ phân đã được sử dụng cùng một lúc hoặc cùng một loại enzyme cho việc thuỷ phân tinh bột đó là: bacterial α- amylase, glucoamylase (hay còn gọi amyloglucosidase), pullulanase, isoamylase, α-amylase và fungal α- amylase, sáu enzyme này khi thuỷ phân tinh bột sẽ cho năng suất sản phẩm khác hơn khi sử dụng chỉ một enzyme bacterial α-amylase. Bởi vì những enzyme này khác nhau về đặc tính như đã kể trên và ngoài ra tất cả các enzyme thuỷ phẩn có mối liên hệ khác nhau trong cấu trúc phân tử tinh bột, điều này giải thích cho cách thức thuỷ phân của các enzyme. Thêm vào đó, vì mỗi enzyme đã được xác định, thậm chí chỉ trong phòng
thí nghiệm, có sự hiểu biết tốt về sự thuận lợi và không thuận lợi trong việc thu nhận các chế phẩm enzyme có thể đạt được những gì đã thử nghiệm với chúng.
Hai enzyme, bacterial α- amylase và glucoamylase có tính ưu việt trong việc thuỷ phân tinh bột. Enzyme bacterial α- amylase thuỷ phân liên kết α (1,6) trong phân tử amylose và amylopectin cho ra hỗn hợp chứa các oligosaccharide. Enzyme glucoamylase phân cắt được cả liên kết α (1,4) và liên kết α (1,6). Enzyme bacterial α- amylase phân cắt nhanh hơn nhiều enzyme glucoamylase nhưng cho ra các phân tử olygosaccharide dài hơn. Theo lý thuyết thì sự kết hợp hai enzyme có thể tạo ra glucose tinh khiết, khi phân tử amylose và amylopectin trong tinh bột chỉ được tạo từ những phân tử glucose được nối với nhau bằng liên kết α (1,4) và α(1,6). Tuy nhiên, điều này không xảy ra trừ khi nguyên liệu ban đầu rất loãng và sản phẩm hình thành trong quá trình thuỷ phân tinh bột với hai enzyme này có hàm lượng glucose thấp. Ngoài ra enzyme pullulanase và isoamylase cũng đã được sử dụng kết hợp với enzyme glucoamylase trong việc thuỷ phân các oligosaccharide.
Mặt khác, enzyme fungal α- amylase và β- amylase trong quá trình thuỷ phân các oligosaccharide cũng cho sản phẩm chính là maltose, vì vậy hai enzyme này cũng được sử dụng trong việc sản xuất sản phẩm sirô có hàm lượng maltose cao.
Các sản phẩm sirô có hàm lượng glucose hay fructose cao được sản xuất từ việc thuỷ phân các loại tinh bột. Kỹ thuật sản xuất này, hiện nay đã được sử dụng ở Mỹ và ở nhiều quốc gia khác, nó không chỉ có ý nghĩa về mặt kinh tế mà còn có ý nghĩa về mặt chính sách. Bởi vì trước đây tinh bột bắp thì hầu như chỉ được sử dụng để sản xuất thức ăn gia súc.
Tất cả có sáu enzyme thuỷ phân sẽ được đề cập đến, nhưng trong đó có hai enzyme α- amylase và glucoamylase sẽ được nói đến nhiều vì tính chất thực tiễn trong thương mại của chúng.
4.2. Sản phẩm dung dịch đường có hàm lượng dextrose thấp với α- amylase 4.2.1. Giới thiệu 4.2.1. Giới thiệu
α- amylase [EC 3.2.1.1, α (1,4)-glucan glucanohydrolase] tên gọi có cách đây nhiều năm, sản phẩm là các oligosaccharide của tinh bột có cấu hình α, được phân loại enzyme thuỷ phân nội bào, có kiểu hoạt động chung khoảng
30 – 100 vì thế được xếp vào nhóm EC 3.2.1 tức là tấn công vào liên kết glucoside ở đầu không khử. Bên cạnh việc duy trì cấu hình của liên kết bị phá vở bằng sự hình thành nhóm hydroxyl đồng phân mới, những enzyme này thuỷ phân các liên kết glucoside nội phân tử của các oligo và polysaccharide với sự ưu tiên các liên kết cuối phân tử và hoạt động hơn đối với những chuỗi phân tử dài hơn là chuỗi ngắn. Thêm vào đó, các enzyme nội bào thường có tính chuyên biệt cao đối với các liên kết bị bẻ gãy và vị trí cũng như cấu hình của liên kết. Chúng phải có một ít khả năng chuyển hoá hoặc tổng hợp.
α-amylase có mặt ở khắp nơi trong tự nhiên, được sản xuất bởi số lượng lớn động vật, thực vật và vi sinh vật. Thực tế, các enzyme được sản xuất nhiều bằng sinh vật. Chúng có các đặc tính hoá lý khác nhau đối với các nguồn khác nhau, mặc dù α- amylase từ động vật, ngũ cốc, nấm và vi khuẩn đã được nghiên cứu nhiều, nhưng sau này riêng biệt chỉ có một vài loài Bacillus được chấp sử dụng trong thương mại. Chương này tập trung vào Bacillus α-amylase, trong các phần sau có đề cập đến các dạng enzyme từ nấm, chủ yếu là Aspergillus oryzae, mà có ích trong các sản phẩm sirô có hàm lượng maltose cao.
α-amylase đã được sử dụng ở dạng thô, phần lớn dưới tên diastase trong nhiều thập kỷ và được phân phối độc quyền trong 20 năm qua, đến khi dạng enzyme đồng nhất được nghiên cứu và các dạng khá tinh khiết đã được dùng trong thương mại. Mục đích ở đây không thảo luận phương pháp sản xuất α-amylase, hoặc sản phẩm của các enzyme thuỷ phân khác nhau mà ở đây nhắn mạnh vào đặc tính hoá lý của enzyme và ứng dụng của nó trong chế biến công nghiệp.
Trong sự phân chia các loại α-amylase từ Bacillus, chúng ta cần cẩn thận để tránh nhầm lẫn bằng các hính thức phân loại khác nhau. Enzyme chính yếu sử dụng trong thương mại cho đến những năm gần đây đã được dán nhãn là Bacillus subtilis α- amylase, nhưng dường như nó là nguyên bản của sản phẩm B. amyloliquefaciens. Welker và Campbell đã phân biệt hai loài này bằng sự khác nhau trong khả năng lên
men và thành phần của AND và tính tương đồng, Chứng minh rằng B. amyloliquefaciens khác nhau về di truyền học đối với B. subtilis hơn là B. pumillus hoặc B. licheniformis khác (đây cũng là nguồn α-amylase thương mại). Hai ông cũng đã chú ý sự khác nhau của hai loài này trong khả năng sản xuất ra α-amylase, B. amyloliquefaciens sản xuất nhiều hơn, bên cạnh đó hai α-amylase khác nhau về miễn
dịch học và các đặc tính hoá lý. Bất chấp những vấn đề này, nhiều tác giả gần đây đã tiếp tục nhắc đến việc sản xuất enzyme thương mại bằng B. subtilis hay B.
amyloliquefaciens như là một sự lựa chọn
Các Bacillus α-amylase khác cũng đã được nghiên cứu nhiều. Bởi vì enzyme
ổn định cao hơn sẽ mở ra hướng đơn giản không gặp sự cố trong quá trình hồ hoá tinh bột. Một nghiên cứu rộng đã làm tăng lên lượng α-amylase ổn định từ các loài
Bacillus bền nhiệt và chịu nhiệt, chủ yếu là B. stearothermophilis, B. coagulans, B.
caldoliticus, B. acidocaldarius, B. circulans và B. licheniformis. Cuối cùng đã gặt hái
được những thành công tuyệt vời và bây giờ đang trong quá trình thay thế α-amylase từ B. amyloliquefaciens. Chúng ta thảo luận enzyme này chi tiết ở đây và các enzyme
B. subtilis saccharifying α-amylase và sự khác nhau giữa các α-amylase từ các loài Bacillus chịu nhiệt.
4.2.2.. α-Amylase từ Bacillus amyloliquefaciens