Amylase là nhĩm Enzyme được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: cơng nghệ sảnxuất rượu bia, cơng nghệ thực phẩm…đặc biệt là trong lĩnh vực sản xuất bia. Trong lĩnh vựcsản xuất bia Amylase được sử dụng để đường hĩa tinh bột thành maltose, glucose dùng làmcơ chất cho quá trình lên men bia. + Trong cơng nghiệp sản xuất rượu bia (giai đoạn đường hố tinh bột ) + Trong cơng nghiệp sản xuất tương , mạch nha , mật, đường glucose ….
+ Từ tinh bột cĩ thể làm cơm rượu làm thức ăn cho gia súc rất giàu chất dinh dưỡng
+ Amylase cịn được ứng dụng trong sản xuất làm bánh mì , làm cho bánh nở xốp thơm ngon hơn .
+ Trong cơng nghiệp dệt chế phẩm Enzyme Amylase cịn dùng để rũ hồ vải là tẩy lớp hồ bột trên mặt vải. Làm cho vải mềm mịn , dễ tẩy trắng dễ bắt màu khi nhuộm .
+ Trong cơng nghiệp chế biến dược phẩm + Trong cơng nghiệp sản xuất bột ngọt
I. Ứng dụng trong sản xuất Bia
Bia là loại đồ uống cĩ độ cồn thấp, giàu dinh dưỡng. Ngồi việc cung cấp một lượng calori khá lớn, trong bia cịn chứa một hệ Enzyme khá phong phú, đặc biệt là nhĩm Enzyme kích thích tiêu hĩa
Nguyên liệu sử dụng : Ngũ cốc , hoa Houblon, nước , Nấm men, chất phụ gia Các chủng vi sinh vật sử dụng:
+ Saccharomyces cerevisisae ( Lên men nổi) + Saccharomyces cerevisidae (Lên men chìm)
Tinh bột là thành phần chiếm vị trí số một của hạt đại mạch cả về số lượng lẫn vai trịcủa nĩ trong sản xuất bia. Trong cơng nghệ sản xuất bia, người ta thường sử dụng EnzymeAmylase cĩ trong mầm đại mạch.
Ngồi ra, cịn sử dụng các Enzyme khác cĩ trong mầm đại mạch để thủy phân vàchuyển hố các chất khơng tan sang trạng thái tan như chuyển protein, cellulose… sangamino acid và glucose .
Các quá trình cơng nghệ này đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. So với cácloại Enzyme Amylase từ các nguồn khác, Amylase từ thĩc đại mạch đã được nảy mầm đượcsử dụng với số lượng nhiều nhất hiện nay.
Quá trình hạt đại mạch nảy mầm là quá trình sinh tổng hợp Enzyme Amylase và nhiều Enzyme khác
Nhờ sự tổng hợp ra những Enzyme này, hạt tiến hành quá trình tự phân hủy tinh bột, protein và các hợp chất khác để cung cấp nguyên liệu và năng lượng cho hạt nảy mầm Enzyme Amylase tác động vào giai đoạn đường hĩa:
Biến đổi tinh bột đã qua giai đoạn dịch hĩa thành Dextrin và Maltose tác động tạo Dextrin hĩa,β - Amylase tác động tạo mantose.
α -Amylase
Tinh bột → Dextrin + maltose + glucose Thủy phânα -1,4 của amylose
β -Amylase
Tinh bột → Maltose +β - Dextrin (Glucogen)
Trong gian đoạn lên men tiếp theo, các chất đường, dextrin cĩ phân tử thấp sẽ đượcchuyển hĩa thành rượu etylic, CO2 và một số sản phẩm phụ khác tạo thành bia theo yêu cầukỹ thuật và chất lượng sản phẩm.
1. Đường hĩa nguyên liệu:
a. Chuẩn bị nguyên liệu:
Malt là nguyên liệu chính cung cấp tinh bột và Amylase cho đường hĩa.
Malt: là tên gọi ngũ cốc nảy mầm ( Đại mạch, tiểu mạch, thĩc gạo, lúa mì đen, thĩcnếp…). Trong sản xuất bia, người ta dùng chủ yếu là đại mạch nảy mầm. Hạt đại mạch lànguồn cung cấp nguyên liệu cho đường hĩa , tạo đường cho sự lên men về sau .
Trong quá trình nảy mầm của hạt sẽ tích tụ được nhiều men mới, tăng hoạt tính hàng loạt men và Amylase tăng hoạt tính đáng kể, cần thiết cho quá trình đường hĩa.
Hoạt lực của α-Amylase cĩ thể ghi nhận được vào những thời điểm đầu tiên của quátrình ươm mầm, cịn đến ngày thứ ba hoặc ngày thứ tư thì hoạt lực của chúng sẽ tăng mộtcách đáng kể. Thời gian để α-Amylase đạt được hoạt lực cực đại phụ thuộc vào nhiệt độ ươmmầm. Ví dụ ở nhiệt độ 12 – 140C hoạt lực đạt cực đại sau 11 – 12 ngày đêm, nếu ở nhiệt độ18 – 200C hoạt lực đạt cực đại sau 6 – 7 ngày đêm. Cịn nếu nhiệt độ 25 – 280C thì chỉ cần sau4 ngày là Enzyme này đạt được hoạt độ tối đa.
Ngồi Amylase hoạt độ của protease, sitase, maltase, phosphatase cũng tăng lên.
Quá trình oxy hĩa – khử lượng men tạo thành tập trung phần lớn ở gần phơi và nộinhũ. Phần trên nội nhũ chứa 25% lượng men cĩ trong malt. Trong quá trình nảy mầm cĩ mộtsố quá trình sinh hĩa xảy ra như sau: Thủy phân một phần tinh bột ( 20 – 25% ) ra đường đơngiản hơn. Đường oligo - polysaccharide cĩ bị phân giải một phần thành monosaccharide vàtrisaccharide. Lipase thủy phân một phần lipid thành acid béo và glycerine
Do việc tạo thành acid hữu cơ và vơ cơ nên độ chua của hạt này mầm tăng cao , pH 5,6 – 5,9.
b. Đường hĩa:
Đường hĩa là cơng đoạn sản xuất bia rất quan trọng, trong đĩ lượng đường được tạothành sẽ quyết định khả năng lên men và chất lượng bia sau này. Chính vì thế, nhiều nhà máybia trên thế giới đã cho thêm Enzyme với số lượng lớn trong giai đoạn này. Các Enzyme vàotrong giai đoạn này là những Enzyme vi khuẩn chịu nhiệt.
Biến đổi sinh hĩa của quá trình đường hĩa là thủy phân tinh bột thành dextrin vàđường đơn giản (maltose, glucose…) dễ tan và lên men dưới tác dụng của Amylase trongmalt, ở nhiệt độ và pH tối ưu .
Cĩ quá trình thủy phân protid – peptid , peptone, acid amin hịa tan được trong dung dịch nhờ Enzyme protease, peptidase cĩ trong malt.
Cellulose, peptin cũng bị thủy phân, tạo thành sản phẩm hịa tan được trong dung dịch, tamin bị oxy hĩa tạo ra Flobafel tạo thêm màu cho bia
Malt xay nhỏ trộn với nước thành dịch hồ, nâng nhiệt độ lên 60 – 700Cgiữ trong 30đến 40 phút, sau đĩ nâng lên nhiệt độ 750C và giữ ở nhiệt độ này cho đến khi đường hĩa xong(PH 4,6 - 5,8 )
Hiện nay cĩ nhiều phương pháp đường hĩa, nâng nhiệt độ nhiều đợt 2 - 3 lần hoặc nâng nhiều đợt từng phần riêng rồi pha trộn lẫn nhau
Với nguyên liệu fi-malt giàu bột (ngũ cốc) trước khi đường hĩa và trộn malt cần xaynhỏ trộn nước nấu sơ bột thành hồ hoặc cháo lỗng, dung dịch đường hĩa gọi là dịch đườngmaltose, lọc xong ta cĩ nước “mout”. Nước “mout” được đun sơi với hoa houblon ( 18-26g/10 lít bia ở Việt Nam) .
Trong nước “mout”, sau khi đường hĩa cĩ chứa 90% là các chất Carbohydrate, trongsố này cĩ đến 75% đường cĩ khả năng lên men. Phần cịn lại 25% là các loại dextrin mạchthẳng và mạch nhánh. Trong nhiều trường hợp, lượng đường tạo thành khơng đạt được mứcđộ trên do nhiều nguyên nhân. Trong đĩ nguyên nhân chính là chất lượng malt kém. Cĩ bacách để làm tăng lượng đường trong nước “mout”:
+ Kéo dài thời gian đường hĩa + Sử dụng thêm đường
+ Sử dụng Enzyme để đường hĩa hết lượng tinh bột
Trước đây người ta thường áp dụng hai cách trên. Sau này, việc sử dụng
Enzyme thường được sử dụng hơn. Người ta thường sử dụng các loại chế phẩm Enzyme sau:
Các loại Enzyme thủy phân tinh bột sử dụng trong sản xuất bia (bảng t33)
Các loại Enzyme khi cho thêm vào trong sản xuất bia thường nhằm vào những mục đích sau:
+ Nâng cao chất lượng dịch đường hĩa + Nâng cao khả năng lên men bia
+ Nâng cao chất lượng và ổn định chất lượng bia.
+ Giảm giá thành sản phẩm khi tiến hành thay malt bằng những nguyên liệu phi malt.
Những ưu điểm của Enzyme từ nguồn VSV được sử dụng trong sản xuất bia như sau:
+ Các chế phẩm Enzyme từ VSV thường cĩ hoạt tính xúc tác rất mạnh và chứa kháđầy đủ các loại Enzyme cần thiết cho sự chuyển hĩa tinh bột thành các loại đường, đặc biệt làtạo ra được loại đường cĩ khả năng lên men với số lượng lớn.
+ Các chế phẩm Enzyme từ VSV thường cĩ khả năng hoạt động ở nhiệt độ rất cao.
Điều này rất thuận lợi cho việc vận hành quá trình dịch hĩa và đường hĩa.
2. Lên men bia
Là giai đoạn quan trọng quyết định cho chất lượng bia và hiệu suất sản xuất. Cơ sở sinh hĩa ( Saccharomyces cerevisiae )
C6H12O6 C2H5OH + CO2
Quá trình tạo acid hữu cơ và tạo rượu cao tác dụng với nhau tạo ra ester ảnh hưởngđến mùi vị bia.Trong quá trình lên men PH giảm dần , lúc đầu dịch lên men 5,3 -5,6 sau lênmen chính cịn 4,2 – 4,4.
Quá trình sinh lý đặc trưng trong giai đoạn đầu thời kỳ lên men là sinh trưởng , tăng sinh khối.
II. Ứng dụng trong sản xuất bánh mì:
Các chế phẩm Enzyme tinh khiết đượ c dùng để tăng cường và điều chỉnh cơng nghệcủa nhiều loạ i sản phẩm trong đĩ cĩ sản xuất bánh mì. Nguồn Enzyme thường sử dụng làmalt. Tuy nhiên trong những năm gần đây, nguồn nguyên liệu malt dần dần được thay thếbằng nguồn nguyên liệu từ nấm sợi, trong đĩ cĩ Amylase làm tăng chất lượ ng bánh mì. Chếphẩm Enzyme từ nấm sợi chủ yếu thu nhận từAs p.or ys ee cĩ pH tối ưu là 4,5 – 5,5.
Trong cơng nghiệ p sản xuất bánh mì Enzyme Amylase cĩ tác dụ ng làm giảm độdính,tăng độđàn hồi của bộ t nhào, tăng mùi thơm, tăng nhanh thể tích
bánh và rút ngắn thời giannhào α-Amylase của nấm sơi, chị u acid hơn và nhạ y cảm với nhiệ t độhơn là α-Amylase củahạ t vàcủa vi khuẩn. Sự tác động tương hỗ khả năng chuyển hĩa của Enzyme cho vào trongquá trình chế biến và sự hoạt động của nấm men sẽ làm tăng nhanh chất lượng bánh và đảmbảo được những mục đích trên.
Nhiệ t độthích hợ p đối với tác dụ ng của α-Amylase nấm sợi là500C và bịức chế ởnhiệ t độ65 - 680C. Do hồn tồn bịức chế ở các giai đoạ n khác nhau của quá trình nướng nênα-Amylase nấm mốc khơng kị p phát huy tác dụ ng dextrin hĩa tinh bộ tvà vì vậ y khơng làmgiảm chất lượ ng ruộ t bánh. Đồng thời α-Amylase nấm sợi lạ i cĩ tác dụ ng đường hĩa và tạ okhí mạ nh nên rút ngắn đượ c quá trình chuẩn bịbộ t nhào và làm chất lượ ng bánh đượ c tốt hơn.
Khi ta sử dụng chế phẩm Enzyme từ nấm sợiAsp.orysee hayAsp.awamori, lượngđường khử và các amino acid tự do tăng lên. Đây chính là nguyên nhân chính dẫn tới sự tạothành màu và mùi trong sản xuất bánh mì.
Ý nghĩa quan trọng của việc sử dụng chế phẩm Enzyme trong sản xuất bánh mì là khita sử dụng Enzyme, nhờ hoạt động của nĩ mà lượng đường được tạo thành từ từ, khơng tậptrung quá nhiều ở giai đoạn đầu hoặc ở giai đoạn cuối của quá trình nhào bột. Chính vì thế,Enzyme như một chất điều hịa rất cĩ hiệu quả cho quá trình lên men, tạo CO2 trong suốt quátrình kỹ thuật. Như vậy, ở một gĩc độ nào đĩ ta sử dụng Enzyme trong sản xuất bánh mì nhưmột yếu tố điều khiển kỹ thuật cho quá trình sản xuất này.
Dextrinase và maltose của nấm sợi cĩ tác dụ ng hỗ trợcho α-Amylase. Dextrinase thủyphân các dextrin cuối cùng cho đến maltose. So với β-Amylase thì dextrinase tạo thành đườngnhiều hơn. Maltose thủy phân dextrin và maltose đến glucose.
Hoạ t độcủa Enzyme đượ c đặ c trưng bằng lượ ng đối chất bịthủy phân ứng với 1 gram
chế phẩm Enzyme trong 1 đơn vịthời gian.
III. Ứng dụng trong sản xuất Siro:
Enzyme Amylase đượ c ứng dụ ng trong giai đoạ n thủy phân tinh bộ t của quy trình sản xuất siro.
Trong phương pháp thủy phân bằng acid vàEnzyme. Enzyme Amylase là Enzyme quan trọ ng để chuyển hĩa tinh bột → đường.
Enzyme α-Amylase tạ o maltose từAsp.orysee. Enzyme β-Amylase tạ o maltose từ malt đạ i mạch.
Quá trình đường hĩa xảy ra ở pH 4,8 - 5,2, nhiệ t độ55 - 600C, thời gian phản ứng đến 2 ngày.
1. Siro maltose:
Siro maltose đượ c sản xuất chủ yếu bằng phương pháp Enzyme sử dụ ng duy nhất Enzyme Amylase tạ o maltose.
Trong quy trình đặc trưng, dung dịch cơ chất 35 - 45% chất khơ DE 10- 20 đượcđường hĩa bằng Enzyme tạ o maltose. Trong trường hợ p này pH = 5, nhiệ t độ50 - 550C, trong24 - 48h. Nồng độmaltose trong sản phẩm thu đượ c khoảng 40 - 60%. Lượ ng cao hơn 80%maltose cĩ thể thu đượ c nhờ sử dụ ng Enzyme thủy phân liên kếtnhánh trong quá trình đườnghĩa để thủy phân các liên kết α-1,6 tạ o thêm đoạ n mạ ch thẳng làm cơ chất cho Amylase tạ omaltose.
2. Sả n xuất siro giàu fructose HFS:
Hiện nay, các nước châu Âu và châu Mỹ sản xuất siro đường fructose từ bột bắp bằngphương pháp Enzyme phát triển rất mạnh. Theo phương pháp này, phơi bắp được xử lý bằngSO2 và vi khuẩn lactic để hạt tinh bột mềm ra khỏi khối bột bằng ly tâm. Enzyme chỉ được sửdụng sau khi bột đã hịa vào nước.
Đặc tính Enzyme từ các nguồn VSV khác nhau
(bang t36)
HFS đượ c sản xuất quy mơ lớn từ những năm 1970 sử dụ ng α-Amylase bền nhiệ t củahãng Novo trong quá trình dị ch hĩa và glucose-isomerase cố đị nh để chuyển hĩa glucosethành fructose.
Glucose-isomerase được cố định và được tạo thành các hạt cĩ kích thước trong khoảng 0,3 - 1,0 mm.
Enzyme cố đị nh đượ c nhồi vào các cộ t cĩ chiều cao khoảng 6m, đường kính 1,5m và
tiếp xúc với dung dịch glucose DE 93 - 96 cĩ nồng độchất khơ 40 - 60%. Trong quá trình phản ứng E cố đị nh mất dần hoạ t tính, cộ t phản ứng thơng thườngphải thay bằng Enzyme mới khi glucose-isomerase bịmất đi khoảng 12,5% hoạ t tính. Cộ tthủy phân bền vững nhất trong thự c tế cĩ thể sử dụ ng trong 200 ngày.
3. Siro chứa đường oligo khác:
Sản phẩm siro chứa 50 - 72% maltotetrose đượ c sản xuất bằng quá trình thủy phân liên tục sử dụ ng hệEnzyme Amylase tạ o DP4 cố đị nh từPseudomonas
4. Sả n xuất siro vàđường tinh thể:
• Quá trình đường hĩa:
Trong quá trình thủy phân bằng Enzyme, dị ch sau khi dị ch hĩa cĩ nồng độchất khơ30 - 35%, pH 4 - 4,5 nhiệ t độ600C đượ c cho phản ứng với Glucoamylase. Quá trình đườnghĩa đượ c tiến hành gián đoạ n hoặ c liên tụ c trong các thùng phản ứng lớn dung tích từ 200ngàn tới vài triệ u lit ở quy mơ cơng nghiệ p. Tùy thuộ c vào nồng độEnzyme sử dụ ng mà thờigian phản ứng cĩ thể kéo dài từ 1 - 4 ngày. Cho tới khi đạ t đượ c nồng độglucose cao nhất.Nồng độglucoamylase ảnh hưởng trự c tiếp tới thời gian phản ứng, tăng gấp đơi nồng độEnzyme sẽ giảm mộ t nửa thời gian đạ t đến lượ ng glucose cao nhất.
Nồng độcơ chất thấp lượ ng maltose và isomaltose sinh ra sẽ giảm dẫn đến hiệ u suấtthu glucose sẽ tăng, theo nhiều nghiên cứu của Hebecta (1993) : hiệu suất thu glucose đạt 98,8;98,2 ; 97,5 ; 96,9% khi nồng độchất khơ của cơ chất ban đầu tương ứng là10, 15, 20, 25%,tuy nhiên nồng độcơ chất thấp lạ i dễ gây nhiễm khuẩn và tăng chi phí cơ đặ c sản phẩm.
Maltulose: 1-0-α-D-gluconopyranosyl-D-fructose được tạo ra trong dung dịch thủyphân ở giá trịpH cao trong quá trình dị ch hĩa gốc glucose cuối cùng, mộ t đoạ n Oligo bịchuyển thành fructose do phản ứng isomer hĩa, sựcĩ mặ t của fructose ngăn chặ n sự thủy phân liên kết α-1,4 của glucoamylase trong giai đoạ n đường hĩa và tạ o ra maltulose trong sảnphẩm sau thủy phân. Để tránh hiệ n tượ ng này, pH của quá trình dị ch hĩa cần đượ c giữ ở giátrị6,0 hoặ c thấp hơn. Ở pH cao maltulose cĩ thể tạ o ra gây giảm hiệ u suất thu glucose, cácđường oligo DP3 và cao hơn cịn lạ i trong dung dị ch sau thủy phân thường phân nhánh và vìthế khĩ bịthủy phân tiếp tụ c bởi glucoamylase. Hiệ u suất glucose cĩ thể đượ c nâng cao nhờsử dụ ng pullulanase từ β-megaterium trong giai đoạ n đường hĩa. Sử dụ ng Enzyme cĩ 2 ưuđiểm sau: các oligo mạ ch nhánh cĩ thể bịthủy phân nhanh hơn, lượ ng glucose Amylase cần íthơn dẫn tới giảm các phản ứng ngược tạo ra isomaltose nhờ vậy lượng glucose tăng lênkhoảng 0,5 - 1,5%.
Amylase từBacillus.megaterium (tên thương mại là megatex) cũng thủy phân cácđường oligo mạ ch nhánh thành Panosyl sau đĩ chuyển thành glucose để tạ o ra DP4 mạ chthẳng, đường oligo này dễ dàng bịthủy phân bởi glucoamylase thành glucose. Kết quả thờigian phản ứng và nồng độglucoamylase sử dụ ng giảm, lượ ng isomaltose và các oligo mạ chdài tạ o ra ít hơn, lượ ng glucose tăng 1,0%, pH phản ứng khi sử dụ ng glucoamylase kết
hợ pvới pullulanase và Amylase từB.megaterium tương ứng là 4,5 - 4,8 và 5,0 - 5,2.
• Quá trình thủy phân liên tục:
Enzyme sử dụ ng là amyloglucosidase, từAsp.niger, ở 550C và pH 4,5 với nồng độ0,5% thể tích cao hơn 15 lần so với nồng độEnzyme sử dụ ng trong thiết bịgián đoạ n với thờigian thủy phân khoảng 40 - 70h. Với thời gian phản ứng trên màng là 1h, hằng số KM là562g/l, cao hơn 2 - 7 lần so với KM gián đoạn.
IV. Ứng dụng trong sản xuất Cồn:
Nguyên liệu chủ yếu mà các nhà máy rượu nước ta thường dùng là sắn, sau đĩ là ngơvà một phần gạo hoặc tấm. Đối với sản xuất rượu thì thành phần quan trọng nhất là gluxit lênmen được, gồm tinh bột và một số đường. Trong đa số gluxit nĩi chung thì tỷ lệ giữa H và Ođều tương tự như trong nước. Ví dụ ramnose – C6H12O5.
* Vai trị của α-Amylase vàβ -Amylase trong sản xuất cồn từ hydro carbon: - Trước đây người ta dùng Enzyme Amylase của malt, nhưng ngày nay đã thay thế bằng Enzyme Amylase của nấm sợi.
- Trong sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột, Enzyme Amylase được sử dụng ở các giai đoạn đường hĩa:
+ Chuyển hĩa tinh bột bằng α-Amylase để tạo thành dextrin.
+ Chuyển hĩa dextrin bằngβ -Amylase hay amyloglucosidase để tạo ra đường cĩ khả năng lên men
(sơ đồ t 38)
ơ đồ Quá trình chuyển hĩa tinh bột
+ Quá trình đường hĩa đĩng vai trị quyết định đến khả năng lên men và hiệu suất cồnthu được. Các chế phẩm Enzyme được sử dụng trong sản xuất cồn bao gồm những chế phẩmthơ được thu nhận từ phương pháp nuơi cấy bề mặt, nuơi chìm hoặc các chế phẩm đậm đặc,tinh khiết. Chủ yếu là sử dụng chế phẩm dạng thơ vì tính chất kinh tế.
+ Vì sử dụng chế phẩm dạng thơ, do đĩ để tránh các phản ứng khơng