1.5.1. Giới thiệu chung.
Nhóm enzyme protease (peptit – hidrolase 3.4) xúc tác quá trình thủy phân liên kết peptit (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptit đến sản phẩm cuối cùng là các acid amin. Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thủy phân liên kết este và vận chuyển acid amin.
Protease cần thiết cho các sinh vật sống, rất đa dạng về chức năng từ mức độ tế bào, cơ quan đến cơ thể nên đƣợc phân bố rất rộng rãi trên nhiều đối tƣợng từ vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, virus) đến thực vật (đu đủ, dứa) và động vật (gan, dạ dày bê…). So với protease động vật và thƣc vật, enzyme protease vi sinh vật có nhiều đặc điểm khác biệt. Trƣớc hết hệ enzyme protease vi sinh vật là một hệ thống rất phức tạp bao gồm nhiều enzyme rất giống nhau về cấu trúc, khối lƣợng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra với dạng phân tử đồng nhất.
1.5.2. Phân loại.
Protease (peptidase) thuộc phân lớp 4 của lớp thứ 3. Enzyme protease đƣợc phân thành hai loại: endopeptidase và exopeptidase.
Dựa vào vị trí tác động trên mạch polipeptide, exopeptidase đƣợc phân thành 2 loại: +Aminopeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu N tự do của chuỗi polypeptide và gải phóng ra một amino acid, một dipeptide hoặc một tripeptide. +Cacboxypeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu C của chuỗi polypeptide và giải phóng ra một amino acid hoặc một dipeptide.
Dựa vào động học của cơ chế xúc tác, endopeptidase đƣợc chia thành 4 nhóm: +Serine protease: là những protease có nhóm –OH của nhóm serine trong trung tâm hoạt động và có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hoạt động xác tác của enzyme. Nhóm này bao gồm 2 nhóm nhỏ: chymotrypsin và subtilisin. Nhóm chymotrypsin bao gồm các enzyme động vật nhƣ chymotripsin, tripsin, elastase. Nhóm subtilisin bao gồm hai loại enzyme vi khuẩn nhƣ subtilisin Carlsberg, subtilisin BPN. Các serine protease thƣờng hoạt động mạnh ở vùng kiềm tính và thể hiện đặc tính cơ chất tƣơng đối rộng.
+Cysteine protease: là các protease chứa nhóm – SH trong trung tâm hoạt động, nó bao gồm các protease thực vật nhƣ papayin, bromelin, một vài protease động vật và protease ký sinh trùng. Các Cystein protease thƣờng hoạt động ở pH trung tính, có đặc hiệu cơ chất rộng.
+ Aspactid protease: hầu hết thuộc nhóm pepsin. Nhóm pepsin bao gồm các enzyme tiêu hóa nhƣ: pepsin, chymosin, cathepsin, renin. Các aspartic protease có chứa nhóm carboxyl trong trung tâm hoạt động và thƣờng hoạt động mạnh ở pH trung tính.
+Metallo protease: metallo protease là nhóm protease đƣợc tìm thấy ở vi khuẩn, nấm mốc cũng nhƣ các vi sinh vật bậc cao hơn. Các metallo protease thƣờng hoạt động ở vùng pH trung tính và hoạt độ giảm mạnh với tác dụng của EDTA.
Ngoài ra, protease còn đƣợc phân loại đơn giản hơn thành 3 nhóm: -Protease acid: pH 2-4.
-Protease trung tính: pH 7-8. -Protease kiềm: pH 9-11.
1.5.3. Nguồn thu nhận. +Nguồn động vật. +Nguồn động vật.
-Tụy tạng: đây là nguồn enzyme sớm nhất, lâu dài nhất và có chứa nhiều enzyme nhất.
-Dạ dày bê: trong ngăn thứ tƣ của dạ dày bê có tồn tại enzyme thuộc nhóm protease là renin. Enzyme này đã từ lâu đƣợc sử dụng phổ biến trong công nghệ phomat. Renin làm biến đổi cazein thành paracazein có khả năng kết tủa trong môi trƣờng sữa có nồng độ Ca2+ . Đây là quá trình đông tụ sữa rất điển hình, đƣợc nghiên cứu và ứng dụng đầy đủ nhất. Trong thực tế nhiều chế phẩm renin bị nhiễm pepxin (trong trƣờng hợp thu chế phẩm của bê quá thì. Khi đó dạ dày bê đã phát triển đầy đủ có khả năng tiết ra pepxin) thì khả năng đông tụ sữa kém đi.
+Nguồn thực vật.
Có ba loại protease thực vật nhƣ Bromelain, Papain và Ficin. Papain thu đƣợc từ nhựa của lá, thân, quả đu đủ và promelain thu từ chồi, quả, vỏ dứa. Các enzyme
này đƣợc sử dụng để chống lại sự kết tủa trắng của bía khi làm lạnh do kết tủa protein. Những ứng dụng khác của enzyme protease thực vật này là trong công nghệ làm mềm thịt và trong mục tiêu tiêu hóa. Ficin thu đƣợc từ nhựa cây cọ. Enzyme đƣợc sử dụng thủy phân protein tự nhiên.
+ Nguồn vi sinh vật.
Enzyme protein phân bố chủ yếu ở vi khuẩn, nấm mốc và xạ khuẩn… gồm nhiều loài thuộc Aspergillus, Bacillus, Penicillium, Clostridium, Streptomyces và một số loại nấm men.
+ Vi khuẩn.
Lƣợng protease sản xuất từ vi khuẩn đƣợc ƣớc tính vào khoảng 500 tấn, chiếm 59% lƣợng enzyme đƣợc sử dụng.
Protease của động vật hay thực vật chỉ chiếm một trong hai loại endopeptidase hoặc exopeptidase, riêng vi khuẩn có khả năng sinh ra cả hai loại trên, do đó protease của vi khuẩn có đặc tính đặc hiệu cơ chất cao. Chúng có khả năng phân hủy hết 80% các liên kết peptide trong phân tử protein.
Trong các chủng vi khuẩn có khả năng tổng hợp mạnh enzyme protease là
Bacillus subtilis, B.mesentericus, B.thermorpoteoliticus và một số giống thuộc chi
Clostridium. Trong đó B. subtilis có khả năng tổng hợp protease mạnh nhất. Các vi khuẩn thƣờng tổng hợp protease hoạt động ở pH trung tính hoặc kiềm yếu.
Các protease trung tính của vi khuẩn hoạt động ở khoảng pH hẹp (pH = 5-8) và có khả năng chịu nhiệt thấp. Các protease trung tính tạo ra dịch thủy phân protein ít đắng hơn so với protease động vật và tăng giá trị dinh dƣỡng. Các protease trung tính có khả năng ái lực cao đối với các amino acid ƣa béo và thơm. Chúng đƣợc sinh ra nhiều bởi B.subtilis, B.mesentericus, B.thermorpoteoliticus và một số giống thuộc chi Clostridium.
Protease của Bacillus ƣa kiềm, có điểm đẳng điện bằng 11, khối lƣợng phân tử từ 20000 đến 30000. Ổn định trong khoảng pH từ 6-12 và hoạt động trong khoảng pH rộng từ 7- 12.
Nhiều loại nấm mốc có khả năng tổng hợp một lƣợng lớn enzyme protease đƣợc ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm là các chủng: Aspergillus oryzae, A.terricol, A.fumigatus, A.saitoi, Penicillium chysogenum… Các loại nấm mốc này có khả năng tổng hợp cả ba loại protease: acid, kiềm và trung tính. Nấm mốc đen chủ yếu các protease acid, có khả năng thủy phân protein ở pH 2.5 - 3.
Một số nấm mốc khác nhƣ: A.candidatus, P.cameberti, P.rpqueforti… cũng có khả năng tổng hợp protease có khả năng đông tụ sữa trong sản xuất phomat.
+Xạ khuẩn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các chế phẩm protease từ xạ khuẩn đƣợc biết nhiều là pronase (Nhật) đƣợc tách chiết từ S.grieus, enzyme này có đặc tính đặc hiệu rộng, có khả năng thủy phân đến 90% liên kết peptide của nhiều protein thành amino acid. Hầu hết các protease phân cắt protein ở các liên kết đặc hiệu, vì thế có thể sử dụng các enzyme này theo chiều hƣớng phản ứng tổng hợp các liên kết peptide định trƣớc. Yếu tố tăng cƣờng quá trình tổng hợp bao gồm pH, các nhóm carboxyl hoặc nhóm amin đƣợc lựa chọn để bảo vệ, khả năng kết tủa sản phẩm, phản ứng trong hệ hai pha lỏng.
Có thể nói vi sinh vật là nguồn nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất enzyme ở quy mô lớn dùng trong công nghệ và đời sống. Dùng nguồn vi sinh vật có những lợi ích chính nhƣ sau:
-Chủ động về nguyên liệu nuôi cấy vi sinh vật và giống vi sinh vật.
-Chu kì sinh trƣởng của vi sinh vật ngắn: 16 - 100 nên có thể thu hoạch nhiều lần trong năm.
1.5.4. Nguyên lý thủy phân.
Thực chất của quá trình thủy phân thịt cá là quá trình biến đổi protein để tạo ra các acid amin dƣới tác dụng của hệ enzym protease nội tại và enzyme bổ sung bên ngoài:
Do vậy, tùy mức độ thủy phân, thời gian thủy phân mà ngƣời ta có thể thu đƣợc peptid hay acid amin
+ Enzyme là chất xúc tác sinh học có tính đặc hiệu cao, do vậy nó chỉ tác dụng đối với một vài loại liên kết nào đó và kiểu liên kết nhất định.
+ Protease là chất xúc tác thủy phân liên kết peptid (-CO-NH-) trong phân tử protein và cơ chất tƣơng tự.
1.5.5. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân protein bằng enzyme.
Quá trình thủy phân chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố: nhiệt độ, pH, nồng độ cơ chất và enzyme, sự có mặt hay không có mặt của chất hoạt hóa và chất kiềm hãm, lƣợng nƣớc thêm vào.
+Ảnh hƣởng của nhiệt độ.
Vì enzyme có bản chất protein nên tăng hay giảm nhiệt độ đều ảnh hƣởng đến hoạt động của enzyme. Mỗi enzyme chỉ hoạt động trong một vùng nhiệt độ xác định. Phần lớn enzyme hoạt động ở vùng nhiệt độ thích hợp là 40-500C và bị bất hoạt ở 700C. Trong vùng nhiệt độ thích hợp nếu nhiệt độ tăng 100C thì tốc độ thủy phân tăng 1.5 - 2 lần. Nhiệt độ thích hợp của enzyme có thể thay đổi khi có sự thay đổi về pH, cơ chất.
+Ảnh hƣởng của pH môi trƣờng.
Enzyme rất nhạy cảm với sự thay đổi của pH môi trƣờng. Mỗi enzyme chỉ hoạt động ở một vùng pH nhất định gọi là pH tối thích, pH tối thích của đa số enzyme nằm trong vùng acid yếu, kiềm yếu hay trung tính, chỉ có một số enzyme hoạt động mạnh nằm trong acid mạnh hay kiềm mạnh. Cùng một loại enzyme nhƣng thu từ các nguồn khác nhau cũng có pH tối thích khác nhau.
+Ảnh hƣởng của nồng độ enzyme.
Giống nhƣ các phản ứng enzyme, tốc độ phản ứng thủy phân tỷ lệ với nồng độ enzyme. Khi nồng độ enzyme quá cao nếu tiếp tục thêm enzyme, sự biến đổi của tốc độ thủy phân là không đáng kể. Vì vậy, tốt hơn là sử dụng nồng độ enzyme thích hợp để đạt hiệu quả thủy phân cực đại và giảm giá thành.
+Ảnh hƣởng của nồng độ cơ chất.
Trong các phản ứng do enzyme xúc tác trƣớc hết tạo thành phức trung gian enzyme và cơ chất. Sau đó, phức này chuyển hóa tạo thành sản phẩm cuối cùng và
enzyme tự do, enzyme lại kết hợp với phân tử cơ chất khác. Nếu nồng độ cơ chất đủ thích hợp với lƣợng enzyme sẽ làm cho quá trình thủy phân diễn ra đều đặn nhanh chóng.
+Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nƣớc.
Nƣớc là môi trƣờng thuận lợi của enzyme và vi sinh vật hoạt động. Các kết quả nghiên cứu cho thấy điều kiện cho các vi sinh vật và enzyme hoạt động. Các kết quả nghiên cứu cho thấy điều kiện cho các enzyme vi sinh vật hoạt động đƣợc phải có hàm lƣợng nƣớc tự do tối thiểu là 15%.
Do vậy, nếu trong quá trình thủy phân ta bổ sung lƣợng nƣớc quá thấp thì nó hạn chế đƣợc sự hoạt động của vi sinh vật nhƣng đồng thời nó cũng ức chế hoạt động của enzyme làm giảm hiệu suất thủy phân. Nhƣng nếu bổ sung hàm lƣợng nƣớc quá cao thì chính nƣớc là môi trƣờng thuận lợi cho vi sinh vật hoạt động và phát triền tạo ra các sản phẩm cấp thấp nhƣ: indol, skatol, NH3, H2S… làm giảm chất lƣợng sản phẩm.
+Ảnh hƣởng của thời gian thủy phân.
Thời gian thủy phân kéo dài hoặc rút ngắn đều ảnh hƣởng đến hiệu quả của quá trình thủy phân và chất lƣợng của sản phẩm.
Thời gian tác dụng kéo dài thì enzyme có điều kiện để cắt mạch triệt để. Nhƣng kéo dài thời gian thủy phân quá mức sẽ dẫn đến vi sinh vật thích nghi và hoạt động tạo ra các sản phẩm cấp thấp nhƣ H2S, NH3, indol, skatol… đồng thời khi thời gian kéo dài thì hiệu quả kinh tế sẽ kém.
Ngƣợc lại, nếu thời gian thủy phân bị rút ngắn, sự phân giải protein chƣa triệt để, hiệu suất thủy phân không cao và gây lãng phí nguyên liệu.
+Ảnh hƣởng của diện tích tiếp xúc.
Để tạo điều kiện cho enzyme protease hoạt động tốt, ngƣời ta thƣờng xay nhỏ, đập dập hoặc cắt khúc… Diện tích tiếp xúc càng lớn thì quá trình thủy phân càng dễ dàng và ngƣợc lại.
Độ tƣơi của nguyên liệu có vai trò quyết định đến quá trình thủy phân và chất lƣợng của sản phẩm. Độ tƣơi của nguyên liệu giảm thì làm giảm chất lƣợng tạo thành. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.6. Tổng quan về quá trình sấy. [7][9][10] 1.6.1.Bản chất của quá trình sấy. 1.6.1.Bản chất của quá trình sấy.
Sấy là một phƣơng pháp bảo quản thực phẩm đơn giản, an toàn và dễ dàng. Nó làm giảm độ ẩm của thực phẩm đến mức cần thiết, do đó vi sinh vật, nấm mốc và nấm men bị ức chế hoặc không phát triển và hoạt động đƣợc. Sấy cũng làm giảm hoạt độ của các enzyme, giảm kích thƣớc và trọng lƣợng của sản phẩm.
Sấy là quá trình làm khô các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm bằng phƣơng pháp bay hơi nƣớc. Trong quá trình sấy xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất. Cụ thể là quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt cho vật sấy, quá trình truyền ẩm từ vật sấy vào trong môi trƣờng. Các quá trình truyền nhiệt xảy ra đồng thời trên vật liệu sấy, chúng có ảnh hƣởng qua lại với nhau. Sự khuyếch tán của nƣớc từ nguyên liệu ra môi trƣờng có hai quá trình:
+Quá trình khuyếch tán ngoại:
Là sự dịch chuyển của hơi nƣớc trên bề mặt vào không khí. Lƣợng nƣớc bay hơi trong quá trình khuyết tán ngoại thực hiện đƣợc dƣới điều kiện áp suất hơi nƣớc bão hòa trên bề mặt nguyên liệu lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nƣớc trong không khí.
+Quá trình khuyếch tán nội:
Là quá trình chuyển động của nƣớc trong nguyên liệu từ lớp này sang lớp khác để tạo độ cân bằng ẩm trong bản thân nguyên liệu. Động lực của quá trình khuyếch tán nội là sự chênh lệch về độ ẩm giữa các lớp bên trong và bên ngoài. Nếu sự chênh lệch ẩm càng lớn thì quá trình khuếch tán nội càng nhanh.
+Mối quan hệ giữa khuếch tán nội và khuếch tán ngoại:
Khuếch tán nội và khuếch tán ngoại có quan hệ chặt chẽ với nhau. Tức là khuếch tán ngoại tiến hành thì khuếch tán nội mới đƣợc tiếp tục, và nhƣ thế độ ẩm của sản phẩm mới đƣợc giảm dần. Nếu khuếch tán nội lớn hơn khuếch tán ngoại thì
quá trình bay hơi sẽ nhanh hơn, nhƣng điều này hiếm xảy ra… Khuếch tán nội của nƣớc trong nguyên liệu thƣờng nhỏ hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ bị gián đoạn. Trong quá trình làm khô, ở giai đoạn hàm ẩm trong nguyên liệu nhiều thì sự chênh lệch về đổ ẩm lớn. Vì vậy khuếch tán nội thƣờng phù hợp với khuếch tán ngoại. Do đó tốc độ làm khô sẽ nhanh nhƣng ở gian đoạn cuối thì hàm lƣợng nƣớc còn lại trong nguyên liệu ít, tốc độ bay hơi nƣớc ở bề mặt nhanh hình thành một lớp màng cứng, làm ảnh hƣởng đến quá trình làm khô nguyên liệu.
1.6.2.Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sấy. 1.6.2.1. Ảnh hƣởng của áp suất khí quyển.
Tốc độ sấy của nguyên liệu trong không khí ở một nhiệt độ nhất định đƣợc biểu thị:
Trong đó:
P1: là áp suất hơi nƣớc trên bề mặt nguyên liệu (mmHg). P2: là áp suất riêng phần hơi nƣớc trong không khí (mmHg). B: là hệ số bay hơi nƣớc trong khí quyển.
Trong điều kiện áp suất thƣờng, vận tốc gió v= const thì B phụ thuộc vào sự truyền dẫn ẩm phần trong nguyên liệu. Khi đó B đặc trƣng bởi hệ số bay hơi K.
1.6.2.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ không khí sấy.
Trong trƣờng hợp các điều kiện khác không đổi nhƣ vận tốc gió, độ ẩm không khí… nếu tăng nhiệt độ không khí thì tốc độ sấy sẽ nhanh. Nhƣng nếu tăng nhiệt độ không khí quá cao thì sẽ làm nguyên liệu bị cháy, làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng nguyên liệu. Đồng thời khi nhiệt độ cao sẽ làm cho lipid trong nguyên liệu bị oxy hóa tạo ra nhiều andehyt và xeton làm cho sản phẩm có mùi ôi khét khó chịu.
Ngoài ra nếu nhiệt độ quá cao sẽ xảy ra hiện tƣợng tạo màng cứng ở bề mặt nguyên liệu làm cản trở sự thoát hơi nƣớc từ trong ra ngoài dẫn đến tốc độ sấy
chậm. Ngƣợc lại nếu nhiệt độ không khí quá thấp thì sự thoát hơi nƣớc chậm lại và sẽ kéo dài thời gian sấy. Vì vậy phải sấy ở nhiệt độ thấp.
Quan hệ giữa nhiệt độ nƣớc bay hơi và nhiệt độ sấy:
Trong đó: w: là lƣợng nƣớc khuếch tán ra (kg). T: thời gian sấy (giờ).
K: hệ số bay hơi. t1: nhiệt độ sấy (0C).
T2: nhiệt độ nguyên liệu ban đầu (0C).
1.6.2.3. Ảnh hƣởng của độ ẩm không khí sấy.