Chương 2: KỸ THUẬT SẢN XUẤT NƯỚC TƯƠNG
2.2. Các phản ứng thủy phân tiêu biểu trong công nghệ sản xuất nước tương
2.2.3. Phản ứng thủy phân tinh bột trong công nghệ sản xuất nước tương
Không phụ thuộc vào nguồn gốc của chất xúc tác, mỗi khi mối liên kết α – 1,4 và α – 1,6 – glucosid bị phân cắt, thì tại các điểm đó ngay lập tức được liên kết với các nhóm ion của nước:
CH2OH CH2OH H O H H
H H OH H 1 4
OH H O O O
H OH H OH
amylase
H2O OH– + H+
Enzyme amylase phân cắt liên kết α – 1,4 - glucosid
H+ + OH–
H2O
amylase CH2OH
H O H 1 H 6 H HO
H2C O O OH H H O H
O OH H O H OH
Enzyme amylase phân cắt liên kết α – 1,6 – glucosid
Khảo sát quá trình thủy phân tinh bột ở môi trường giàu nước bởi enzyme amylase cho thấy rằng, các chất xúc tác bẻ gãy mối liên kết glucosid giữa nguyên tử cacbon số 1 (C1) với nguyên tử oxy. Ở mạch amylase, khi mối liên kết α – 1,4 – glucosid bị phân cắt thì nhóm hydroxyl (– OH) của nước sẽ liên kết với nguyên tử C1 ở gốc glucosid bên trái, còn cation hydro (H+) sẽ liên kết với nguyên tử C4 ở gốc glucosid bên phải. Đối với mạch amylopectin, khi mối liên kết α – 1,6 – glucosid bị phân cắt, thì nhóm OH– của nước sẽ liên kết với nguyên tử C1 ở mạch chính, còn H+ sẽ liên kết với – O– ở nguyên tử C6.
Một cách tổng quát, nếu tất cả các mối liên kết glucosid của tinh bột bị phân cắt (bao gồm n gốc) thì cần có n – 1 phân tử nước để liên kết với chúng và sẽ tạo thành n phân tử đường glucose. Nhưng vì n là một đại lượng lớn cho nên hiệu số giữa n và n – 1 có thể xem là không đáng kể. Lúc đó phương trình tổng quát của phản ứng thủy phân tinh bột có thể biểu diễn như sau:
(C6H10O5)n + nH2O = nC6H12O6
Từ đây ta có thể rút ra kết luận: lượng glucose thu hồi theo lý thuyết từ phản ứng thủy phân tinh bột bằng 111,11% lượng cơ chất tham gia ở đầu vào.
Một đặc điểm quan trọng của liên kết glucosid trong các polysaccharide là chỉ có các electron δ mà không có electron π tham gia. Trong trường hợp như vậy, đóng vai trò phân cực là bộ electron δ. Do hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm, nên gây ra một sự tập trung điện tích nào đó trên nguyên tử oxy, do đó oxy tích điện âm. Phân bố điện tích ở các nguyên tử trên hai gốc glucose của tinh bột có thể được biểu diễn như sau (ký hiệu δ– chỉ điện tích âm ,còn δ+ chỉ điện tích dương):
δ–
O
δ+
δ– C1 C4 C1 δ–
O O O
Khi các hạt bột được nghiền nhỏ và đặt trong môi trường giàu nước thì các enzyme amylase sẽ bắt đầu tác động. Do cấu trúc bậc ba của phân tử protein – enzyme nên chúng trở nên cực kỳ linh động, đặc biệt là các tâm hoạt động của chúng. Khi đó giữa gốc hydroxyl (OH– ) của nhóm định chức cacboxyl (– COOH) và nguyên tử nitơ bậc ba của nhân imidazol thể hiện ái lực với nhau. Do có khả năng đặc biệt này mà giữa hai tâm hoạt động của enzyme hình thành mối liên kết cầu hydro. Lúc đó nhóm COO– sẽ mang điện tích âm còn nhân imidazol, do có H+ tiếp sức nên nó sẽ mang điện tích dương. Có thể minh họa sự phân cực đó như sau:
Khi tiếp xúc với tinh bột, cực H+ – imidazol sẽ thể hiện ái lực với nguyên tử oxy ở cầu α – 1,4 hoặc α – 1,6. Còn lực COO– sẽ thể hiện ái lực với nguyên tử C1. Nhờ có sự kéo co này mà mối liên kết C1 – O sẽ bị đứt. Qúa trình diễn biến qua bốn giai đoạn như sau:
..
H+ imidazol N COO–
NH
H+ imidazol δ–
O H H δ+
C1 C4
δ–
O
COO–
Bước 2: Liên kết C1 – O bị kéo giãn H+ imidazol δ–
O H H δ+
C1 C4 δ–
O
COO–
Bước 1: Tinh bột lọt vào cơ chế thủy phân của enzyme amylase
imidazol
O H H
C1 C4
HO
COO–
Bước 3: Liên kết C1 – O bị cắt đứt
H+ imidazol
O H H
C1 C4
OH HO
COO–
Bước 4: Sau khi tạo sản phẩm, enzyme hoàn nguyên trở lại trạng thái ban đầu
2.2.3.2.Sự tác động của α – amylase lên tinh bột
α – amylase tác động lên mạch amylose và amylopectin của tinh bột và bẻ gãy các mối liên kết α – 1,4 – glucosid. Sau một thời gian ngắn, toàn bộ mạch amylase và mạch chính của amylopectin bị cắt nhỏ thành từng mảnh có năm hoặc sáu gốc glucosid. Nhờ có quá trình này, độ nhớt của dịch thủy phân sẽ giảm đi một cách nhanh chóng và màu xanh với iod cũng mất đi.
Giai đoạn tiếp theo của quá trình thủy phân là α – amylase phân cắt cục bộ các mảng dextrin để tạo thành sản phẩm cuối cùng là glucose, maltose và dextrin thấp phân tử hơn.
Như vậy là dưới tác dụng riêng rẽ của α – amylase, tinh bột sẽ bị phân cắt thành chủ yếu là dextrin, một ít glucose và maltose.
2.2.3.3.Sự tác động của β – amylase lên tinh bột
Enzyme β – amylase cắt hai gốc glucosid trên toàn mạch của amylase và mạch nhánh của amylopectin để tạo thành đường maltose. Enzyme này không vượt qua được liên kết α – 1,6 – glucosid, β – amylase sẽ dừng tác động trước điểm rẽ của mạch nhánh amylopectin. Tác động của enzyme này trên mạch amylose bắt đầu từ phía cực kín, còn trên mạch amylopectin thì từ phía ngoài của mạch nhánh đi vào. Sản phẩm tạo thành do tác động phân cắt của β – amylase là đường maltose.
2.2.3.4. Sự tác động của – amylase lên tinh bột
– amylase còn có tên gọi là Glucan 1,4 – α – glucosidase;
amyloglucosidase; Exo – 1,4 – – glucosidase; Glucoamylase; Lysosomal – glucosidase; 1,4 – –D – glucohydrolase.
– amylase xúc tác thủy phân liên kết – 1,4 và 1,6 glucosidase của phân tử tinh bột và các polysaccharide.
Sự thủy phân các cơ chất dưới tác dụng của – amylase tiến hành ở từng liên kết một, bắt đầu từ mạch không khử tách dần từng phân tử glucose, amylase cũng có khả năng thủy phân cả maltose, isomaltose và dextrin.
– amylase có hoạt lực tối đa ở pH= 3,5÷5,5. Nhiệt độ tối thích của – amylase là 50÷60oC. Hầu hết các – amylase bị mất hoạt tính khi đun nóng trên 70oC.