29
Enzym pectinase là enzym thủy phân pectin, sản phẩm của quá trình thủy phân này là axit galacturonic, galactose, arabinose, methanol,... Đây là nhóm enzyme đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chỉ sau amylase và protease. Enzyme này lần đầu tiên đƣợc phát hiện trong các dịch trái cây nhƣ cà rốt, cà chua và ở đại mạch.
Enzyme pectinase không những đƣợc tìm thấy ở thực vật bậc cao mà sau này các nhà khoa học còn tìm thấy ở một số loài vi sinh vật. Enzyme pectinase đã đƣợc tìm thấy ở rất nhiều vi sinh vật trong tự nhiên. Enzyme pectinase không chỉ tồn tại một loại mà còn có nhiều loại enzyme khác nhau, chúng xúc tác cho các kiểu phản ứng khác nhau và còn có đặc hiệu cao ở vi sinh vật. Tuy nhiên, người ta tìm thấy enzyme này ở thực vật bậc cao thường chúng chỉ là pectinstease
Những enzyme này có một vai trò hết sức quan trọng trong quá trình bảo quản trái cây và rau quả. Ngoài ra cũng đƣợc ứng dụng nhiều trong chế biến thực phẩm, đặc biệt là khả năng làm trong nước quả.
1.4.2. Phân loại
Dựa vào tính đặc hiệu, cơ chế tác dụng, kiểu phản ứng, pH tối ƣu của enzyme, Theo Koller và Neukom, 1966 cũng nhƣ Nguyễn Trọng Cẩn và cộng tác viên, 1997, enzyme pectinase đƣợc chia làm 2 nhóm:
Nhóm 1: Có sự tham gia của nước
- Enzyme pectin esterase (PE) hay pectin methyl esterase (PME) là các enzyme xúc tác sự thủy phân liên kết este trong phân tử pectin hoặc axit pectinic khi toàn bộ nhóm metoxyl bị tách ra khỏi cơ chất thì sản phẩm tạo thành methanol và các axit polygalacturonic (axit pectic).
- Enzyme polygalacturonase (PG) phân cắt liên kết glucozit-1,4 trong mạch pectin tạo ra axit galacturonic. Dựa vào tính đặc hiệu và cơ chế tác động lên cơ chất, H. Deuel và E. Stulz,1958 đã chia polygalacturonic thành 2 nhóm nhỏ. Mỗi nhóm có 2 kiểu:
- Polymethylgalacturonase (PMG): tác dụng lên axit Polymethylgalacturonic đã đƣợc methyl hóa (tức là pectin). PMG đƣợc phân thành 2 kiểu:
30
PG cắt nội mạch: Endo. PG (kiểu 1), xúc tác sự thủy phân các liên kết glucozit nội mạch ở các phân tử axit polygalacturonase đƣợc este hóa ở mức độ cao.
PG cắt ngoại mạch: Exo. PG (kiểu 3), xúc tác sự thủy phân cac liên kết glucozit ở đầu mạch để tách từng gốc axit galacturonic ra khỏi phân tử pectin, bắt đầu từ đường không khử.
- Polygalacturonase (PG) là các enzyme có tác dụng chủ yếu lên axit pectic (các axit polygalacturonase không bị este hóa) và axit pectinic (các axit polygalacturonase bị este hóa ở mức độ thấp), các enzyme này cũng đƣợc chia thành 2 kiểu nhờ vào vị trí liên kết glucozid bị cắt đứt.
PG cắt nội mạch: Endo. PG (kiểu 2), xúc tác sự thủy phân các liên kết glucozit ở giữa mạch của các phân tử axit pectic hoặc axit pectinic, các enzyme này tác dụng ở vị trí liên kết đầu nhóm carboxyl tự do.
PG cắt ngoại mạch: Exo. PG (kiểu 4), xúc tác sự thủy phân các liên kết glucozit ở đầu mạch của phân tử axit pectic hoặc axit pectinic.
Nhóm 2: không có sự tham gia của nước. Tên gọi chung là trans – seliminase (TE)
Pectin – traneliminase (PTE): Enzyme này đƣợc chia làm 2 loại:
- Endo- pectintranseliminase (kiểu 1) - Exo- pectintranseliminase (kiểu 3)
Polygalacturonate –transeliminase (PGTE): Enzyme này đƣợc chia làm 2 loại - Endo- polygalacturonate- transeliminase (kiểu 2)
- Endo- polygalcturonate- transeliminase (kiểu 4) Các loại enzyme thường sử dụng trong thực phẩm là:
Polygalacturonase: Enzyme thủy phân liên kết α-1,4 - glycoside.
Pectinmethylesterase: Enzyme thủy phân liên kết ester giữa axit galacturonic và nhóm methyl.
31
Pectate lyase (PL): Enzyme cắt liên kết α-1,4 - glycoside nhƣng không có sự tham gia của nước.
1.4.3. Cơ chế tác động của enzyme pectinase
Tế bào thực vật đƣợc cấu tạo bằng vỏ tế bào chứa phần lớn pectin, xyloglucan, cellulose , trong đó pectin đƣợc xem nhƣ chất ciment gắn kết các tế bào với nhau. Thành tế bào như là một lớp bảo vệ tế bào rất hữu hiệu và tạo hình cho tế bào. với phương pháp xử lý enzyme pectinase chúng tôi đã tiến hành xử lý nguyên liệu trước bằng cơ học (xay nhuyễn) với mục đích cắt nhỏ các tế bào và thành tế bào, sau đó chúng tôi hiệu chỉnh pH về 4.5 nhầm mục đích tạo môi trường thuận lợi cho enzyme pectinase được hoạt động tốt khi bổ sung.
Cơ chế tác động của enzyme pectinase khi bổ sung sẽ tiến hành làm phá vỡ thành tế bào đã đƣợc cắt nhỏ bằng cách sử dụng pectin làm cơ chất , thủy phân pectin cũng đồng nghĩa với phá vỡ sự gắn kết giữa các tế bào, tạo điều kiện cho các chất tan và dịch bên trong tế bào thoát ra ngoài. Ngoài ra, chế phẩm enzyme không chỉ riêng pectinase mà còn chứ 1 ít các enzyme nhóm cellulose, các enzyme này cũng góp phần phá hủy cellulose, phá vỡ thành tế bào. Nhờ đó giúp quá trình thu hồi dịch đƣợc tốt hơn.
1.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme
- Nhiệt độ: hoạt động thủy phân của enzyme pectinase ở 40 – 50oC là cao nhất. Nếu nhiệt độ quá cao, phản ứng thủy phân sẽ nhanh hơn nhƣng các enzym sẽ dần dần bị vô hoạt hoặc thay đổi tính chất. Mặt khác, mùi vị và chất lƣợng của dịch quả có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao. Hầu hết enzyme pectinase hoạt động tốt nhất ở 45oC.
- Độ pH: pH có thể tác động lên enzym bằng cách gây ra những biến đổi về cấu trúc, thay đổi độ ion hóa của các chất, thay đổi tính chất của các amino acid hoặc các coenzyme xúc tác của pectinase... Thông thường enzyme pectinase hoạt động mạnh nhất ở pH 4.5. Ở các khoảng còn lại lƣợng dịch thu giảm.
- Nồng độ enzyme: lƣợng dịch quả trung bình thu đƣợc ứng với các mức nồng độ enzyme có sự khác biệt. Lƣợng dịch quả cao nhất ứng với mức nồng độ enyme sử dụng
32
dao động trong khoảng từ 0.15% - 0.2%. Lượng dịch quả có xu hướng giảm dần khi nồng độ enzyme cao hơn hoặc thấp hơn.
- Thời gian thủy phân: Cần có một khoảng thời gian tối thiểu để enzyme hoạt động, tạo ra lƣợng dịch quả nhiều nhất.
- Chất ức chế hoặc hoạt hóa enzyme: Một số chất nhƣ thuốc trừ sâu có thể làm ức chế enzyme hay một số chất khác có thể liên kết với enzyme để làm tăng hoạt tính.
1.4.5. Ứng dụng của enzyme pectinase lên dịch quả
Việc ứng dụng enzym pectinase trong quá trình thu nhận nước quả được áp dụng lần đầu tiên vào năm 1930. Từ đó đến nay, việc áp dụng enzym này đã trở nên rất phổ biến trong các ngành chế biến thực phẩm như: sản xuất rượu vang, sản xuất nước quả và nước uống không có cồn, sản xuất các sản phẩm từ quả như mứt, mứt đông,...
Việc thu nhận nước quả từ trước đến nay chủ yếu bằng phương pháp ép. Nếu pectin còn nhiều thì khối thịt quả khi nghiền sẽ có trạng thái keo, do đó khi ép dịch quả không thoát ra ngoài hết được, gây ra hiện tượng nước quả bị đục, có độ keo cao và rất khó lọc trong. Trong sản xuất các sản phẩm từ quả (mứt, mứt đông,..) nhờ pectinase sẽ thu đƣợc dịch quả có nồng độ đậm đặc hơn khi không có pectinase.
Trong tế bào của quả, nước chiếm khoảng 90 – 95%. Nếu chúng ta chỉ nghiền sau đó ép thì ta chỉ có thề thu đƣợc khoảng 60 – 70% là tối đa. Khi ta cho enzyme pectinase vào khâu nghiền quả, hiệu suất ép sẽ tăng 15 – 30%. Nhiều trường hợp hiệu suất ép tăng đến 50%. Liều lƣợng chế phẩm enzyme tinh khiết cho vào là 0.03 – 0.05%
hoặc chế phẩm thô là 0.5 – 2%. Nhiệt độ duy trì cho quá trình thủy phân là 43 – 45oC.
Thời gian thủy phân là 4 – 8 giờ. Dịch quả thu đƣợc khi xử lý bằng pectinase sẽ trong hơn, khả năng lọc sẽ tốt hơn và hiệu quả kinh tế rõ hơn
Trong sản xuất cà phê, người ta dùng pectinase để tách lớp keo ở bề mặt của hạt cà phê. Trước đây người ta thường dùng vi sinh vật để làm công việc này, nhưng thường quá trình xảy ra không đồng đều và mất kiểm soát.