Chương 2. LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.2.10. Quá trình đường hóa, các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình đường hóa và sự biến đổi các chất khác trong quá trình đường hóa
Quá trình đường hóa: sử dụng enzyme glucoamylase phân cắt nối α-1,4 glucozit và α-1,6 glucozit và biến tinh bột thành đường glucose.
Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình đường hóa:
Tốc độ thủy phân tinh bột của enzyme amylase phụ thuộc vào sự liên kết “enzyme – tinh bột”. Sự tạo liên kết này là do hấp thụ lẫn nhau giữa các nhóm háo nước có trên bề mặt của các hạt tinh bột và enzyme như – COOH, - OH, - CHO, - CO, - NH2, - SH.
Các nhóm này khi tác dụng lẫn nhau sẽ làm giảm năng lượng bề mặt, làm biến dạng các phần riêng biệt của phân tử amylose và amylopectin cuối cùng dẫn đến làm đứt các nối glucoside để tạo ra sản phẩm giải phóng enzyme. Enzyme được giải phóng lại tiếp tục liên kết mới và thực hiện nhiều chu trình tiếp theo. Mỗi enzyme chỉ có thể hoạt động tốt khi ở trạng thái nhất định. Trạng thái này phụ thuộc nhiệt độ, pH, và sản phẩm của môi trường phản ứng (Nguyễn Đình Thưởng và Nguyễn Thanh Hằng, 2005).
=>Vì thế tốc độ thủy phân tinh bột phụ thuộc vào các yếu tố: nhiệt độ, pH, nồng độ enzyme.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Tốc độ phản ứng enzyme tăng giảm theo nhiệt độ, nhưng sự tăng giảm nhiệt độ chỉ trong giới hạn nhất định, thường trong khoảng 550C – 600C. Đại lượng đặc trưng cho ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng là hằng số Q10:
t t
k Q10 k10 .
Hệ số này càng lớn thì phản ứng càng khó xảy ra. Ở nhiệt độ thường và của phần lớn phản ứng E thì Q10 thường có giá trị là 2.
Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ đường hóa, hiệu suất đường hóa mà còn ảnh hưởng đến tỉ lệ các thành phần của sản phẩm đường hóa. Khi đường hóa ở nhiệt độ cao dextrin tạo ra nhiều hơn so với đường khử. Thêm vào đó nấm men không có hoặc có rất ít amylase và glucoamylase nên không thể thủy phân tiếp tục dextrin thành đường.
Do đó, hiệu suất thu hồi giảm.
Khi sản phẩm đường hình thành với lượng ít thì nhiệt độ tối thích để bảo vệ hoạt độ của enzyme amylase là 500C – 560C. Khi sản phẩm đường hình thành nhiều, nhiệt độ hồ hóa không nên vượt quá 570C – 580C. Nếu vượt quá nhiệt độ này thì hiệu suất tổng thu hồi thấp. Nhiệt độ thủy phân thấp 400C – 450C sẽ bị vi khuẩn có trong dịch cháo
tấn công. Tuy nhiên, đường hóa ở nhiệt độ thấp sẽ tạo ra nhiều đường đơn có thể đạt 67% – 80%, quá trình lên men triệt để hơn (Bùi Thị Quỳnh Hoa, 2004).
Nhiệt độ mà ở đó tốc độ phản ứng đạt cao nhất được gọi là nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ tối ưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như là: nguồn gốc hệ enzyme, thời gian tác dụng, pH của môi trường.
Nhiệt độ tối ưu phụ thuộc vào nguồn gốc hệ amylase: ví dụ như enzyme α - amylase của vi khuẩn chịu nhiệt có nhiệt độ tối thích cao và đạt 950C – 1000C; nhưng α-amylase của của thóc mầm nhiệt độ tối ưu chỉ 730C – 760C, còn α-amylase của A.oryzae lại có nhiệt độ tối ưu là 500C – 550C.
Nhiệt độ tối ưu phụ thuộc vào nồng độ cơ chất trong dung dịch. Ví dụ, với dung dịch 1 % tinh bột, nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của enzyme amylase A. Oryzae là 500C và của A. awamorii là 550C. Trong dung dịch 5 % tinh bột nhiệt độ tối ưu của amylase A. Oryzae là 550C và của A. awamorii là 600C. Khi tăng nồng độ tinh bột lên đến 10 % thì nhiệt độ tối ưu của enzyme amylase A. Oryzae và của A. awamorii vẫn chỉ là 550C và 600C. Như vậy hoạt độ của enzyme sẽ được bảo vệ khi tăng nồng độ cơ chất trong dung dịch nhưng chỉ trong giới hạn nhiệt độ xác định với mỗi enzyme.
Nhiệt độ tối ưu còn phụ thuộc vào thời gian tác dụng. Thời gian tác dụng lâu sẽ làm giảm khả năng chịu nhiệt của enzyme. Quá trình đường hóa trong sản xuất rượu từ tinh bột không được phân hủy hoàn toàn, thường chỉ đạt 20% – 30%. Vì vậy không nên kéo dài thời gian đường hóa quá lâu để tạo thành nhiều đường vì như vậy thì chu kỳ sản xuất kéo dài hoạt tính enzyme amylase bị ảnh hưởng. Trong thực tế sản xuất rượu người ta luôn tìm cách rút ngắn thời gian đường hóa hoặc tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn 20C – 30C so với nhiệt độ tối ưu.
Nhiệt độ tối ưu còn phụ thuộc vào pH của môi trường phản ứng, tăng cùng với pH trong giới hạn nhất định.
Ảnh hưởng của pH
Tất cả các protein đều là lưỡng tính. Tính chất này phụ thuộc vào pH của môi trường.
Các nhóm axit hoặc kiềm của enzyme có khả năng ion hóa. Khi thay đổi pH của môi trường sẽ xảy ra liên kết nào đó với ion H+ hoặc OH-. Do đó mức độ ion hóa của nhóm này hoặc nhóm khác trong phân tử enzyme sẽ bị giảm. Nếu nhóm đó lại đóng vai trò trung tâm hoạt động của enzyme thì sự tạo thành liên kết enzyme – cơ chất sẽ bị ức chế và do đó sẽ ảnh hưởng tới quá trình thủy phân. Sự phụ thuộc hoạt tính của enzyme vào pH được thể hiện trong hình 8.
Hình 8. Sự phụ thuộc của hoạt tính enzyme vào pH
Nếu tăng hoặc giảm pH sẽ làm giảm tác dụng thủy phân tinh bột của amylase. Trong đó sự giảm pH sẽ ảnh hưởng nhiều hơn so với tăng pH. Khi tăng nhiệt độ phản ứng thì pH tối ưu sẽ dịch chuyển về phía pH lớn hơn. Đa số pH của dịch cháo đều trong khoảng 4,8 – 5,2 rất phù hợp với hoạt động của hệ enzyme amylase.
Bảng 8 Sự phụ thuộc pH tối ưu vào nhiệt độ
Nhiệt độ, 0C pH tối ưu
30 – 40 4,5 – 5,0
50 4,6 – 5,0
60 5,2 – 5,5
70 5,3 – 5,8
(Nguồn: Nguyễn Đình Thưởng và Nguyễn Thanh Hằng, 2005)
Ảnh hưởng của nồng độ enzyme
Sự thủy phân tinh bột là tổng các tác dụng của một số enzyme chứa trong thóc mầm, nấm mốc hoặc vi khuẩn. Mỗi hệ amylase đều có số lượng và hoạt độ khác nhau của từng enzyme. Thực tế sản xuất chỉ cần biết hoặc là khả năng đường hóa chung của chế phẩm hay cần xác định cả hoạt độ α–amylase và glucoamylase. Khi tăng nồng độ enzyme thì tốc độ thủy phân tinh bột sẽ tăng và tỉ lệ thuận với lượng enzyme đưa vào trong điều kiện không thay đổi về nồng độ cơ chất, nhiệt độ môi trường, pH môi trường...
Trong thực tế sản xuất, lượng chế phẩm enzyme đưa vào khi đường hóa được tính theo phần trăm so với lượng tinh bột chứa trong cháo nấu. Tùy theo chất lượng của chế phẩm amylase, tỉ lệ này có thể rất khác nhau và dao động trong giới hạn khá lớn. Tỉ lệ
này cũng không cố định mà giảm theo trình độ công nghệ đạt được trong sản xuất chế phẩm amylase.
Một số biến đổi khác trong quá trình đường hóa
Ngoài biến đổi chủ yếu của tinh bột thành đường, khi đường hóa còn xảy ra một số biến đổi của các chất khác. Mức độ biến đổi không nhiều và phụ thuộc vào nguồn enzyme amylase sử dụng. Trong chế phẩm amylase thu nhận từ nấm mốc luôn chiếm một lượng pectinase và hemixenlulose. Do đó khi đường hóa sẽ có một lượng pectin được phân hủy để tạo ra axit pectic và acol metylic. Một lượng nhỏ hemixenlulose được thủy phân thành dextrin và đường pentose, glucose. Dextrin sau này sẽ biến thành maltose và lên men được, còn pentose không tham gia vào phản ứng tạo rượu.
Biến đổi màu sắc do nhiều nguyên nhân:
Nguyên nhân vật lý:
- Do thay đổi khả năng hấp phụ và phản xạ ánh sáng của vật liệu do tác động của nhiệt độ cao.
- Nhờ đun nóng mà màu sắc tốt hơn hoặc giữ được màu tự nhiên ban đầu trong suốt quá trình chế biến và bảo quản (do làm vô hoạt các enzyme phân hủy hoặc tạo hợp chất màu xấu (polyphenoloxydase, peroxydase...)
Biến đổi chất thơm
- Đối với các phản ứng hóa học như thủy phân, trung hòa…thì nhiệt độ tăng làm tốc độ phản ứng tăng. Kết quả của sự xúc tiến các phản ứng hóa học là sự biến đổi các thành phần hóa học trong vật liệu. Một số chất được tạo thành có thể làm tăng chất lượng sản phẩm (chất thơm, chất màu, pectin..) (Lê Thị Bạch Tuyết và ctv.,1996)
- Tạo mùi trong quá trình gia nhiệt: Trong quá trình chế biến thực phẩm có nguồn gốc từ thực vật dưới tác dụng của nhiệt độ cao các hợp chất phenol đều bị oxy hóa và chuyển thành các octoquinon tương ứng. Trong trường hợp này nếu trong hệ thống phản ứng có các axit amin, các octoquinon sẽ thực hiện phản ứng cộng với các axit amin đó. Sau đó, các sản phẩm của phản ứng cộng, một lần nữa, lại bị oxy hóa thành các octoquinon tương ứng. Chính dạng octoquinon này tiếp tục tác dụng với những axit amin còn lại để tiến hành các quá trình deamin hóa, khử CO2 và giải phóng ra các alđehit bay hơi có mùi thơm tương ứng, (Lê Ngọc Tú và ctv.,2003)