Chƣơng 2 CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM LÊN MEN TỪ NGŨ CỐC
2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT MẬT TINH BỘT
2.1. Nguyên liệu sản xuất mật tinh bột
2.1.1. Tinh bột
Là carbohydrate dự trữ của thực vật, do quang hợp tạo thành. Tinh bột khơng hịa tan trong nƣớc, đun nóng thì hạt tinh bột phồng lên rất nhanh tạo thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột.
Tinh bột có cấu tạo gồm hai phần: amylose và amylopectin (hình 2.4), ngồi ra cịn có khoảng 2% phospho dƣới dạng ester.
Hình 2.4. Cấu trúc của amylose (i) và amylopectin (ii).
- Amylose: Cấu tạo do nhiều gốc α-D- glucose liên kết với nhau thông qua C1-C4 tạo thành mạch thẳng không phân nhánh, có khoảng 200÷1000 gốc glucose. Trong khơng gian nó cuộn lại thành hình xoắn ốc và đƣợc giữ bền vững nhờ các liên kết hydro. Theo một số tài liệu trong amylose cịn có chứa các α-D- glucopyranose dạng thuyền. Amylose bắt màu xanh với iodine, màu này mất đi khi đun nóng, hiện
31
màu trở lại khi nguội. Một đặc trƣng hóa lý khác cần chú ý là nó bị kết tủa bởi rƣợu butylic.
- Amylopectin: Cấu tạo do các phân tử α D- glucose liên kết với nhau, nhƣng có phân nhánh. Chỗ phân nhánh là liên kết C1-C6 glycoside. Tạo màu tím đỏ với iodine. Phân tử chỉ có một đầu khử duy nhất. Số gốc D-glucose trong cả phân tử có thể lên đến 6000.
Tỷ lệ amylopectin/amylose ở các đối tƣợng khác nhau là không giống nhau (bảng 2.7), tỷ lệ này ở gạo nếp là lớn hơn gạo tẻ.
Bảng 2.7. Hàm lượng amylose và amylopectin trong một số tinh bột
Loại tinh bột Amylose, % Amylopectin, %
Khoai tây 19÷22 78÷81
Khoai mỳ (sắn) 40÷45 55÷60
Lúa mỳ 24 76
Ngơ 21÷23 77÷79
Lúa gạo 17 83
Nguyên liệu để sản xuất mật tinh bột chủ yếu trên thế giới hiện nay tinh bột bắp (ngơ), cịn tại Việt Nam và một số nƣớc Đông Nam Á sử dụng tinh bột khoai mỳ (tinh bột sắn). Để sản xuất mật tinh bột đạt chất lƣợng cao, hàm lƣợng tạp chất trong nguyên liệu tinh bột càng thấp càng tốt. Dƣới đây là một số chỉ tiêu chất lƣợng tinh bột dùng trong sản xuất mật tinh bột:
- Độ ẩm 7%;
- Hàm lƣợng tinh bột không thấp hơn 89,2% chất khô; - Protein: không lớn hơn 0,8%;
- Chất béo: không lớn hơn 0,15%; - Tro: không lớn hơn 0,15%;
- Các chất hịa tan khác: khơng lớn hơn 0,1%;
- Độ chua: không lớn hơn 30ml dung dịch NaOH 0,1N/100g chất khô.
2.1.2. Chế phẩm Enzyme
Bảng 2.8. giới thiệu tóm lƣợc nguồn gốc, tác dụng của một số chế phẩm enzyme đƣợc sử dụng trong thủy phân tinh bột.
Bảng 2.8. Các enzyme được sử dụng thủy phân tinh bột
Enzyme Nguồn gốc Tác dụng
α-Amylase EC 3.2.1.1
Bacillus
amyloliquefaciens
Chỉ liên kết α-1,4 oligosaccharide bị phân cắt tạo thành α-dextrin và phần lớn maltose (G2), G3, G6 và G7 oligosaccharide
B. licheniformis Chỉ liên kết α-1,4 oligosaccharide bị phân cắt tạo thành α-dextrin và phần lớn maltose, G3, G4 và G5 oligosaccharide
Aspergillus oryzae A. niger
Chỉ liên kết α-1,4 oligosaccharide bị phân cắt tạo thành α-dextrin và phần lớn maltose và G3 oligosaccharide
32
Enzyme Nguồn gốc Tác dụng
α-Amylase EC 3.2.1.1
(amylosacchariticus) cắt tạo thành α-dextrin và maltose, G3, G4 và trên 50% glucose theo khối lƣợng. β-amylase
EC 3.2.1.2
Đại mạch nảy mầm Chỉ liên kết α-1,4 bị phân cắt từ đầu không khử tạo nên lƣợng dextrin giới hạn và β- maltose.
Glucoamylase EC 3.2.1.3
A. niger Liên kết α-1,4 và α-1,6 bị phân cắt từ đầu không khử tạo thành β-glucose
Pullulanase EC 3.2.1.41
B. acidopullulyticus Chỉ liên kết α-1,6 bị phân cắt tạo thành maltodextrin mạch thẳng.
a) α-Amylase (EC.3.2.1.1)
α-Amylase (1,4-α-D-glucan glucanohydrolase; glycogenase) xúc tác thủy phân liên kết α-1,4-glycoside ở bất kỳ vị trí nào trong phân tử tinh bột với cơ chất là amylose, α-amylase cho sản phẩm thủy phân chủ yếu là maltose và một ít glucose.
Với cơ chất là amylopectin, α-amylase chỉ thủy phân liên kết α-1,4-glycoside mà không thủy phân liên kết α-1,6-glycoside, sản phẩm tạo thành là các dextrin phân tử thấp không cho phản ứng màu với iodine, maltose, glucose và isomaltose.
α-amylase là một enzyme hai cấu tử có thành phần coenzyme chứa ion kim loại Ca. Nếu tách Ca ra khỏi enzyme thì α-amylase sẽ bị mất hoạt tính; α-amylase hầu nhƣ khơng tác dụng lên tinh bột nguyên vẹn và tác dụng mạnh lên tinh bột đã bị hồ hóa, làm cho các sản phẩm hồ hóa bị lỗng ra. Chính vì vậy mà α-amylase cịn gọi là amylase dịch hóa.
α-amylase tƣơng đối bền với tác dụng nhiệt. α-amylase của nấm mốc có thể xúc tác thủy phân tinh bột ở 50÷520C, α-amylase của hạt nảy mầm hoạt động tốt ở nhiệt độ 58÷600C, α-amylase của nhiều vi khuẩn có tính bền nhiệt cao chúng có thể giữ đƣợc hoạt tính ở 70÷900C. Tính bền nhiệt của α-amylase là do sự có mặt của ion Ca+2 trong phân tử enzyme, Ca giữ vai trò ổn định cấu trúc bậc ba của phân tử enzyme.
α-amylase thƣờng thể hiện hoạt tính trong vùng acid yếu, α-amylase của nấm mốc hoạt động mạnh ở pH=4,5÷4,9, α-amylase của vi khuẩn ở pH=5,9÷6,1. Nếu pH<3 đa số α-amylase bị vơ hoạt hồn toàn trừ α-amylase của A.niger có thể chịu đƣợc pH=2,5÷2,8. Những vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp α-amylase đƣợc thƣơng mại hóa: B.subtilis, B.licheniformis, A.oryzae.
Hình 2.5 minh họa các liên kết tinh bột bị phân cắt dƣới xúc tác của enzyme.
33
b) β-amylase (EC 3.2.1.2)
β-amylase (1,4-α-D-glucan maltohydrolase; glycogenase; saccharogen amylase). β-amylase là một dạng của amylase, đƣợc tổng hợp từ vi khuẩn, nấm mốc, thực vật. β-amylase xúc tác cho sự thủy phân liên kết α-1,4-glycoside của phân tử tinh bột và các polysaccharide.
Đối với các chất amylose, β-amylase thủy phân liên kết glycoside bắt đầu từ đầu không khử của mạch, tách dần từng phân tử maltose ra khỏi phân tử cơ chất. Đối với các cơ chất amylopectin, β-amylase chỉ phân cắt các liên kết 1,4-glycoside và cũng tách dần ra khỏi mạch các phân tử maltose bắt đầu từ đầu không khử của mạch. Quá trình này xảy ra ở phần thẳng của mạch và dừng lại ở vị trí phân nhánh. Sản phẩm thu đƣợc trong trƣờng hợp này là maltose và các dextrin phân tử lớn.
β-amylase không tác dụng lên tinh bột nguyên vẹn, chỉ tác dụng lên tinh bột đã hồ hóa. Khác với α-amylase, β-amylase vẫn giữ đƣợc hoạt tính khi khơng có Ca+2. β-amylase kém bền dƣới tác dụng của nhiệt độ cao, β-amylase bị vơ hoạt hồn tồn ở nhiệt độ 700C, song trong dịch nấu nhiệt độ tối thích hợp lại là 60÷650C. β-amylase khá bền trong mơi trƣờng acid ở pH=3÷4. Đa số β-amylase hoạt động mạnh hơn trong mơi trƣờng có pH= 4,5÷5.
c) Glucoamylase (Amyloglucosidase) (EC 3.2.1.3)
Glucoamylase (Glucan 1,4-α-glycosidicase; amyloglycosidicase; Exo-1,4-α- glycosidicase; Glucoamylase; Lysosomal α-glycosidicase; 1,4-α-D- glucohydrolase.)
Glucoamylase xúc tác thủy phân liên kết α-1,4 và α-1,6-glycoside của phân tử tinh bột và các polysaccharide. Sự thủy phân các cơ chất dƣới tác dụng của glucoamylase tiến hành ở từng liên kết một, bắt đầu từ mạch không khử tách dần từng phân tử glucose, glucoamylase cũng có khả năng thủy phân cả maltose, isomaltose và dextrin. Glucoamylase có hoạt lực tối đa ở pH=3,5÷5,5.
Nhiệt độ tối thích của glucoamylase là 50÷600C. Hầu hết các glucoamylase bị mất hoạt tính khi đun nóng trên 700C. Những chủng vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp glucoamylase thƣơng mại hóa: Aspergilus, Rhizopus, A.niger, A.awamori, Endomycopsis.
2.1.3. Nước
Chất lƣợng nƣớc dùng trong cơng nghiệp lên men ảnh hƣởng lớn đến q trình cơng nghệ cũng nhƣ chất lƣợng sản phẩm. Các chỉ số chất lƣợng quan trọng của nƣớc là độ cứng, độ oxy hóa, số lƣợng vi sinh vật. Nƣớc tham gia vào phản ứng thủy phân tinh bột yêu cầu chung là nƣớc có độ cứng càng thấp càng tốt.
Độ cứng của nƣớc lại phân thành: độ cứng chung, độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu, cacbonat hóa và khơng cacbonat hóa. Độ cứng chung gây ra bởi hàm lƣợng ion Ca2+ và Mg2+ có ở trong nƣớc. Độ cứng tạm thời là lƣợng các muối bicacbonat của hai ion Ca và Mg, khi đun sôi hai loại muối này chuyển thành cacbonat và lắng cặn. Độ cứng vĩnh cửu là hàm lƣợng các muối clorua, sulfat, nitrat của các ion này.
Độ cứng của nƣớc đƣợc tính bằng số miligam-đƣơng lƣợng trong 1 lít nƣớc. 1mg đƣơng lƣợng ứng với 20,04 mg ion Ca2+
hoặc 12,16 mg ion Mg2+ trong 1 lít nƣớc. u cầu nƣớc có độ cứng chung, mg đƣơng lƣợng, không quá 7.
2.1.4. Các nguyên liệu phụ khác
- Chất điều chỉnh pH: để các chế phẩm enzyme xúc tác phản ứng thủy phân tinh bột đạt hiệu quả cao, cần điều chỉnh pH dung dịch cơ chất về giá trị tối thích của
34
enzyme. Chất chỉnh pH thông dụng là HCl 0,1N và NaOH 0,1 N. - CaCl2: đƣợc dùng để ổn định hoạt tính α-amylase.
- Than hoạt tính: đƣợc sử dụng để tinh sạch dung dịch đƣờng sau quá trình thủy phân, cải thiện độ màu của sản phẩm.
- Bột trợ lọc diatomite: đƣợc dùng để hỗ trợ cho q trình lọc sirơ.