Amylase là nhóm Enzyme được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: công nghệ sản xuất rượu bia, công nghệ thực phẩm…đặc biệt là trong lĩnh vực sản xuất bia. Trong lĩnh vực sản xuất bia Amylase được sử dụng để đường hóa tinh bột thành maltose, glucose dùng làm cơ chất cho quá trình lên men bia.
+ Trong công nghiệp sản xuất rượu bia (giai đoạn đường hoá tinh bột ) + Trong công nghiệp sản xuất tương , mạch nha , mật, đường glucose ….
+ Từ tinh bột có thể làm cơm rượu làm thức ăn cho gia súc rất giàu chất dinh dưỡng + Amylase còn được ứng dụng trong sản xuất làm bánh mì , làm cho bánh nở xốp thơm ngon hơn .
+ Trong công nghiệp dệt chế phẩm Enzyme Amylase còn 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 công nghiệp sản xuất bột ngọt
I. Ứng dụng trong sản xuất Bia
Bia là loại đồ uống có độ cồn thấp, giàu dinh dưỡng. Ngoài việc cung cấp một lượng calori khá lớn, trong bia còn chứa một hệ Enzyme khá phong phú, đặc biệt là nhóm Enzyme kích thích tiêu hóa
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 trò của nó trong sản xuất bia. Trong công nghệ sản xuất bia, người ta thường sử dụng Enzyme Amylase có trong mầm đại mạch.
Ngoài ra, còn sử dụng các Enzyme khác có trong mầm đại mạch để thủy phân và chuyển hoá các chất không tan sang trạng thái tan như chuyển protein, cellulose… sang amino acid và glucose .
Các quá trình công nghệ này đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. So với các loại Enzyme Amylase từ các nguồn khác, Amylase từ thóc đại mạch đã được nảy mầm được sử 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 hóa:
Biến đổi tinh bột đã qua giai đoạn dịch hóa thành Dextrin và Maltose tác động tạo Dextrin hóa, β - Amylase tác động tạo mantose.
α -Amylase
Tinh bột Dextrin + maltose + glucose
Thủy phân α -1,4 của amylose
β -Amylase
Tinh bột Maltose + β - Dextrin
Trong gian đoạn lên men tiếp theo, các chất đường, dextrin có phân tử thấp sẽ được chuyển hóa thành rượu etylic, CO2 và một số sản phẩm phụ khác tạo thành bia theo yêu cầu kỹ thuật và chất lượng sản phẩm.
1. Đường hóa nguyên liệu:
a. Chuẩn bị nguyên liệu:
Malt là nguyên liệu chính cung cấp tinh bột và Amylase cho đường hóa.
Malt: là tên gọi ngũ cốc nảy mầm ( Đại mạch, tiểu mạch, thóc gạo, lúa mì đen, thóc nếp…). Trong sản xuất bia, người ta dùng chủ yếu là đại mạch nảy mầm. Hạt đại mạch là nguồn cung cấp nguyên liệu cho đường hóa , 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 hóa.
Hoạt lực của α-Amylase có thể ghi nhận được vào những thời điểm đầu tiên của quá trình ươm mầm, còn đến ngày thứ ba hoặc ngày thứ tư thì hoạt lực của chúng sẽ tăng một cách đáng kể. Thời gian để α-Amylase đạt được hoạt lực cực đại phụ thuộc vào nhiệt độ ươm mầm. Ví dụ ở nhiệt độ 12 – 140C hoạt lực đạt cực đại sau 11 – 12 ngày đêm, nếu ở nhiệt độ 18 – 200C hoạt lực đạt cực đại sau 6 – 7 ngày đêm. Còn nếu nhiệt độ 25 – 280C thì chỉ cần sau 4 ngày là Enzyme này đạt được hoạt độ tối đa.
Ngoài Amylase hoạt độ của protease, sitase, maltase, phosphatase cũng tăng lên.
Quá trình oxy hóa – khử lượng men tạo thành tập trung phần lớn ở gần phôi và nội nhũ. Phần trên nội nhũ chứa 25% lượng men có trong malt. Trong quá trình nảy mầm có một số quá trình sinh hóa xảy ra như sau: Thủy phân một phần tinh bột ( 20 – 25% ) ra đường đơn giản hơn. Đường oligo - polysaccharide có bị phân giải một phần thành monosaccharide và trisaccharide. Lipase thủy phân một phần lipid thành acid béo và glycerine
Do việc tạo thành acid hữu cơ và vô cơ nên độ chua của hạt này mầm tăng cao , pH 5,6 – 5,9.
b. Đường hóa:
Đường hóa là công đoạn sản xuất bia rất quan trọng, trong đó lượng đường được tạo thành sẽ quyết định khả năng lên men và chất lượng bia sau này. Chính vì thế, nhiều nhà máy bia trên thế giới đã cho thêm Enzyme với số lượng lớn trong giai đoạn này. Các Enzyme vào trong giai đoạn này là những Enzyme vi khuẩn chịu nhiệt.
Biến đổi sinh hóa của quá trình đường hóa là thủy phân tinh bột thành dextrin và đường đơn giản (maltose, glucose…) dễ tan và lên men dưới tác dụng của Amylase trong malt, ở nhiệt độ và pH tối ưu .
Có quá trình thủy phân protid – peptid , peptone, acid amin hòa tan được trong dung dịch nhờ Enzyme protease, peptidase có trong malt.
Cellulose, peptin cũng bị thủy phân, tạo thành sản phẩm hòa tan được trong dung dịch, tamin bị oxy hóa tạo ra Flobafel tạo thêm màu cho bia
Malt xay nhỏ trộn với nước thành dịch hồ, nâng nhiệt độ lên 60 – 700C giữ trong 30 đến 40 phút, sau đó nâng lên nhiệt độ 750C và giữ ở nhiệt độ này cho đến khi đường hóa xong (PH 4,6 - 5,8 )
Hiện nay có nhiều phương pháp đường hóa, 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 hóa và trộn malt cần xay nhỏ trộn nước nấu sơ bột thành hồ hoặc cháo loãng, dung dịch đường hóa gọi là dịch đường maltose, lọc xong ta có nước “mout”. Nước “mout” được đun sôi với hoa houblon ( 18 -26g/10 lít bia ở Việt Nam) .
Trong nước “mout”, sau khi đường hóa có chứa 90% là các chất Carbohydrate, trong số này có đến 75% đường có khả năng lên men. Phần còn lại 25% là các loại dextrin mạch thẳng và mạch nhánh. Trong nhiều trường hợp, lượng đường tạo thành không đạt được mức độ trên do nhiều nguyên nhân. Trong đó nguyên nhân chính là chất lượng malt kém. Có ba cách để làm tăng lượng đường trong nước “mout”:
+ Kéo dài thời gian đường hóa + Sử dụng thêm đường
+ Sử dụng Enzyme để đường hóa 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
Loại Enzyme và vi sinh sản xuất
Điều kiện sử dụng Kiểu tác động và
sản phẩm tạo ra pH 0C Amylase vi khuẩn a) B.subtillis b) B.licheniformis 6,5 6,5 85 105/95 Endo, nối α-1,4 Dextrin α-Amylase nấm mốc Asp.orysee 5,0 55 Endo, nối α-1,4 Maltoz Amylglucosidase Asp.niger 4,3 6,0 Exo, nối α-1,4; α-1,6 Glucoz
Loài Bacillus Dextrin
Glucose isomerase B.coaglucanz
8,0 60 Endo, nối α-1,4
Glucoz + Fructoz
Các loại Enzyme khi cho thêm vào trong sản xuất bia thường nhằm vào những mục đích sau: + Nâng cao chất lượng dịch đường hóa
+ 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 có hoạt tính xúc tác rất mạnh và chứa khá đầy đủ các loại Enzyme cần thiết cho sự chuyển hóa tinh bột thành các loại đường, đặc biệt là tạo ra được loại đường có khả năng lên men với số lượng lớn.
+ Các chế phẩm Enzyme từ VSV thường có khả năng hoạt động ở nhiệt độ rất cao. Điều này rất thuận lợi cho việc vận hành quá trình dịch hóa và đường hóa.
2. Lên men bia
Là giai đoạn quan trọng quyết định cho chất lượng bia và hiệu suất sản xuất. Cơ sở sinh hóa ( Saccharomyces cerevisiae )
C 6H 12O 6 C 2H 5OH + CO2
Quá trình tạo acid hữu cơ và tạo rượu cao tác dụng với nhau tạo ra ester ảnh hưởng đến mùi vị bia.Trong quá trình lên men PH giảm dần , lúc đầu dịch lên men 5,3 -5,6 sau lên men chính còn 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 được dùng để tăng cường và điều chỉnh công nghệ của nhiều loại sản phẩm trong đó có sản xuất bánh mì. Nguồn Enzyme thường sử dụng là malt. Tuy nhiên trong những năm gần đây, nguồn nguyên liệu malt dần dần được thay thế bằng nguồn nguyên liệu từ nấm sợi, trong đó có Amylase làm tăng chất lượng bánh mì. Chế phẩm Enzyme từ nấm sợi chủ yếu thu nhận từ Asp.orysee có pH tối ưu là 4,5 – 5,5.
Trong công nghiệp sản xuất bánh mì Enzyme Amylase có tác dụng làm giảm độ dính, tăng độ đàn hồi của bột nhào, tăng mùi thơm, tăng nhanh thể tích bánh và rút ngắn thời gian nhào α-Amylase của nấm sơi, chịu acid hơn và nhạy cảm với nhiệt độ hơn là α-Amylase của hạt và của vi khuẩn. Sự tác động tương hỗ khả năng chuyển hóa của Enzyme cho vào trong quá trình chế biến và sự hoạt động của nấm men sẽ làm tăng nhanh chất lượng bánh và đảm bảo được những mục đích trên.
Nhiệt độ thích hợp đối với tác dụng của α-Amylase nấm sợi là 500C và bị ức chế ở nhiệt độ 65 - 680C. Do hoàn toàn bị ức chế ở các giai đoạn khác nhau của quá trình nướng nên α-Amylase nấm mốc không kịp phát huy tác dụng dextrin hóa tinh bột và vì vậy không làm giảm chất lượng ruột bánh. Đồng thời α-Amylase nấm sợi lại có tác dụng đường hóa và tạo khí mạnh nên rút ngắn được quá trình chuẩn bị bột nhào và làm chất lượng bánh được tốt hơn. Khi ta sử dụng chế phẩm Enzyme từ nấm sợi Asp.orysee hay Asp.awamori, lượng đường khử và các amino acid tự do tăng lên. Đây chính là nguyên nhân chính dẫn tới sự tạo thành 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 khi ta sử dụng Enzyme, nhờ hoạt động của nó mà lượng đường được tạo thành từ từ, không tập trung quá nhiều ở giai đoạn đầu hoặc ở giai đoạn cuối của quá trình nhào bột. Chính vì thế, Enzyme như một chất điều hòa rất có hiệu quả cho quá trình lên men, tạo CO2 trong suốt quá trình kỹ thuật. Như vậy, ở một góc độ nào đó ta sử dụng Enzyme trong sản xuất bánh mì như một yếu tố điều khiển kỹ thuật cho quá trình sản xuất này.
Dextrinase và maltose của nấm sợi có tác dụng hỗ trợ cho α-Amylase. Dextrinase thủy phân các dextrin cuối cùng cho đến maltose. So với β-Amylase thì dextrinase tạo thành đường nhiều hơn. Maltose thủy phân dextrin và maltose đến glucose.
Hoạt độ của Enzyme được đặc trưng bằng lượng đối chất bị thủy phân ứng với 1 gram chế phẩm Enzyme trong 1 đơn vị thời gian.
III. Ứng dụng trong sản xuất Siro:
Enzyme Amylase được ứng dụng trong giai đoạn thủy phân tinh bột của quy trình sản xuất siro.
Trong phương pháp thủy phân bằng acid và Enzyme. Enzyme Amylase là Enzyme quan trọng để chuyển hóa tinh bột đường.
Enzyme α-Amylase tạo maltose từ Asp.orysee. Enzyme β-Amylase tạo maltose từ malt đại mạch.
Quá trình đường hóa xảy ra ở pH 4,8 - 5,2, nhiệt độ 55 - 600C, thời gian phản ứng đến 2 ngày.
1. Siro maltose:
Siro maltose được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp Enzyme sử dụng duy nhất Enzyme Amylase tạo maltose.
Trong quy trình đặc trưng, dung dịch cơ chất 35 - 45% chất khô DE 10-20 được đường hóa bằng Enzyme tạo maltose. Trong trường hợp này pH = 5, nhiệt độ 50 - 550C, trong 24 - 48h. Nồng độ maltose trong sản phẩm thu được khoảng 40 - 60%. Lượng cao hơn 80% maltose có thể thu được nhờ sử dụng Enzyme thủy phân liên kết nhánh trong quá trình đường hóa để thủy phân các liên kết α-1,6 tạo thêm đoạn mạch thẳng làm cơ chất cho Amylase tạo maltose.
2. Sản xuất siro giàu fructose HFS:
Hiện nay, các nước châu Âu và châu Mỹ sản xuất siro đường fructose từ bột bắp bằng phương pháp Enzyme phát triển rất mạnh. Theo phương pháp này, phôi bắp được xử lý bằng SO2 và vi khuẩn lactic để hạt tinh bột mềm ra khỏi khối bột bằng ly tâm. Enzyme chỉ được sử dụng sau khi bột đã hòa vào nước.
Đặc tính Enzyme từ các nguồn VSV khác nhau
Stt Enzyme Nguồn Enzyme Khoả
ng pH Khoảng nhiệt độ pH, nhiệt độ phổ biến Chất hoạt hóa Chức năng 1 α- Amylase nấm sợi Asp.niger Asp.orysee Asp.awamori 4-6 50-70 4,5-6,5 Thủy phân hạn chế tinh bột 2 α- Amylase vi khuẩn ưa ẩm Bac.subtilis Bac.amylo liquefaciens 6-7 40-80 6-7,5 Ca2+ Thủy phân hạn chế tinh bột 3 α- Amylase vi khuẩn ưa nhiệt Bac.licheniformis Bac.stearothermo -philus 5,5-6,5 4,5-6,5 90-120 5,8 ; 100 6 ; 115 Ca2+ Thủy phân tinh bột ở t0 cao 4 β- Amylase
Bac.polymyxa 4,7 55-75 5 ; 60 Tao siro co DE thấp 5 Pullulase Bacillus sp 3,5-4,5 55-65 4 ; 60 Ca2+ Phân cắt
mạch nhánh 6 Amyloglu
co-sidase
Asp.niger 3-4,5 55-65 4 ; 60 Đường hóa, phân cắt lk 1,4 glucoside HFS được sản xuất quy mô lớn từ những năm 1970 sử dụng α-Amylase bền nhiệt của hãng Novo trong quá trình dịch hóa và glucose-isomerase cố định để chuyển hóa glucose thành fructose.
Glucose-isomerase được cố định và được tạo thành các hạt có kích thước trong khoảng 0,3 - 1,0 mm.
Enzyme cố định được nhồi vào các cột có chiều cao khoảng 6m, đường kính 1,5m và tiếp xúc với dung dịch glucose DE 93 - 96 có nồng độ chất khô 40 - 60%.
Trong quá trình phản ứng E cố định mất dần hoạt tính, cột phản ứng thông thường phải thay bằng Enzyme mới khi glucose-isomerase bị mất đi khoảng 12,5% hoạt tính. Cột thủy phân bền vững nhất trong thực tế có thể sử dụng trong 200 ngày.
3. Siro chứa đường oligo khác:
Sản phẩm siro chứa 50 - 72% maltotetrose được sản xuất bằng quá trình thủy phân liên tục sử dụng hệ Enzyme Amylase tạo DP4 cố định từ Pseudomonas stutzeri
4. Sản xuất siro và đường tinh thể:
• Quá trình đường hóa:
Trong quá trình thủy phân bằng Enzyme, dịch sau khi dịch hóa có nồng độ chất khô 30 - 35%, pH 4 - 4,5 nhiệt độ 600C được cho phản ứng với Glucoamylase. Quá trình đường hóa được tiến hành gián đoạn hoặc liên tục trong các thùng phản ứng lớn dung tích từ 200 ngàn tới vài triệu lit ở quy mô công nghiệp. Tùy thuộc vào nồng độ Enzyme sử dụng mà thời gian phản ứng có thể kéo dài từ 1 - 4 ngày. Cho tới khi đạt được nồng độ glucose cao nhất. Nồng độ glucoamylase ảnh hưởng trực tiếp tới thời gian phản ứng, tăng gấp đôi nồng độ Enzyme sẽ giảm một nửa thời gian đạt đến lượng glucose cao nhất.
Nồng độ cơ chất thấp lượng maltose và isomaltose sinh ra sẽ giảm dẫn đến hiệu suất thu 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 độ chất khô của cơ chất ban đầu tương ứng là 10, 15, 20, 25%, tuy nhiên nồng độ cơ chất thấp lại dễ gây nhiễm khuẩn và tăng chi phí cô đặc sản phẩm.