Amylase là hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật. Các enzyme này thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm polysaccharide với sự tham ra của nước.
Amylase là một trong những hệ enzyme quan trọng nhất trong ngành công nghệ sinh học hiện nay do có những ứng dụng hết sức rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, công nghiệ lên men, công nghiệp dệt, giấy.
Amylase lần đầu tiên sản xuất ở quy mô công nghiệp vào năm 1984, nó có nguồn gốc từ nấm mốc và được sử dụng như một loại dược phẩm để chữa bệnh tiêu hóa. Ngày nay các mylase vi sinh vật đã thay thế thành công axit trong công nghiệp thủy phân tinh bột. Amylase cũng được sử dụng rộng rãi để đường hóa tinh bột trong sản xuất rượu, bia.
Theo phân loại gần đây nhất của Nigam(1995), hệ enzyme amylase tham ra vào quá trình thủy phân tinh bột gồm các enzyme chính sau đây:
endo1,4 amylase glucanase 1.exomaltohexa- 1,4glucanase hydrogenase 2.exomalto- exo 1,4 pentahydrogenase glucanase 3.exomaltotetra- hydrogenase 4.-amylase 5.glucoamylase Enzyme thủy phân 6. amylo- Tinh bột glucosidase endo 1,6 pullulanase glucanase isoamylase 1,6glucanase exo 1,6 exopullulanase glucanase
Đặc tính và cơ chế tác dụng của enzyme amylase.
Đặc tính.
- amylase dễ tan trong nước, dung dịch muối và rượu loãng. - Protein của các amylase có tính axit yếu.
- Mỗi phân tửamylase đều có chứa 1- 30 nguyên tử gam canxi/mol nhưng không ít hơn 1 – 6 nguyên tử gam/mol. Canxi tham gia vào sự hình thành và ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme, duy trì hoạt động của enzyme (Modolova, 1965). Do đó, canxi còn có vai trò duy trì sự tồn tại của enzyme khi bị tác động bởi các tác nhân gây biến tính và tác động của các enzyme phân giải protein. Nếu phân tử amylase bị loại bỏ hết canxi thì nó sẽ hoàn toàn bị mất hết khả năng thủy phân cơ chất. amylase bền với nhiệt hơn các enzyme khác, đặc tính này liên quan đến hàm lượng caxi trong phân tử và nồng độ Mg2+.
- amylase của nấm mốc hầu như chỉ tấn công những hạt tinh bột bị thương tổn. Sản phẩm cuối cùng của thủy phân bằng amylase là glucose và maltose. - amylase của nấm sợi không tấn công liên kết 1,6 – glucosid của
amylopectin, nên khi thủy phân nó sẽ tạo thành các dextrin tới hạn phân nhánh. - Sản phẩm thủy phân cuối cùng của tinh bột dưới tác dụng của amylase nấm sợi chủ yếu là maltose, thứ đến là maltotriose. Nếu dùng amylase của nấm mốc để thủy phân thì mức độ đường hóa đến glucose và maltose có thể lên tới 84 – 87%.
- Điều kiện hoạt động của amylase từ các nguồn khác nhau thường không giống nhau.
+ pH tối thích cho hoạt động của amylase từ nấm sợi là 4,0 – 4,8 còn amylase từ Asp.oryzae là 5,6 – 6,2 (Liphis), theo số liệu của Fenixova thì pH tối thích cho amylase từ Asp.oryzae là 6 – 7.
+ Độ bền với tác dụng của axit cũng khác nhau: amylase của
Asp.oryzae bền vững đối với axit tốt hơn là amylase của malt và vi khuẩn B.subtilis. Ở pH = 3,6 và 00C, amylase của malt bị vô hoạt hoàn toàn sau 15 – 30 phút; amylase của vi khuẩn bị bất hoạt đến 50%, trong khi đó hoạt lực của amylase của nấm sợi hầu như không giảm bao nhiêu (Fenilxova, Rmoshinoi 1989).
+ Nhiệt độ tối thích cho hoạt động xúc tác của amylase từ các nguồn khác nhau cũng không đồng nhất: amylase từ nấm sợi có nhiệt độ tối thích 500C và bị vô hoạt ở 700C (Kozmina,1991); trong dung dịch đệm pH = 4,7
amylase của Asp.oryzae rất nhạy cảm với tác động của nhiệt độ cao, thậm chí ở 400C trong 3h hoạt lực dextrin hóa của nó chỉ còn 22 – 29%, hoạt lực đường hóa còn 27 – 85%. Ở 500C trong 2h, amylase của nấm sợi này bị vô hoạt hoàn toàn (Miller).
Cơ chế tác dụng của amylase.
- amylase có khả năng phân cắt các liên kết 1,4 – glucosid nằm ở bên trong phân tử cơ chất (tinh bột) một cách ngẫu nhiên. amylase không chỉ thủy phân tinh bột đã hồ hóa mà nó còn thủy phân cả hạt tinh bột nguyên, song với tốc độ rất chậm.
- Quá trình thủy phân tinh bột bởi amylase là quá trình đa giai đoạn:
+ Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp, độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh (các amylase và amlopectin đều bị dịch hóa nhanh).
+ Sang giai đoạn 2 (giai đoạn đường hóa): các dextrin phân tử thấp tạo thành tiếp tục bị thủy phân tạo ra các tetra – trimaltose không cho màu với iodine. Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi amylase cho tới disaccharide và monosaccharide. Dưới tác dụng của amylase, amylase bị phân giải khá nhanh thành oligosaccharide gồm 6 – 7 gốc glucose.
+ Sau đó các polyglucose này bị phân cắt tiếp tục tạo thành các mạch polyglucose cứ ngắn dần và bị phân giải chậm đến maltotetrose, maltotriose và maltose. Qua một thời gian dài, sản phẩm thủy phân của amylase chứa 13% glucose và 87% maltose. Tác dụng của amylase lên amylopectin cũng xảy ra tương tự nhưng vì không phân cắt được liên kết 1,6 – glucosid ở chỗ mạch nhánh trong phân tử amylopectin nên dù có tác dụng lên thì sản phẩm
cuối cùng ngoài các đường trên (72% maltose và 19% glucose) còn có dextrin phân tử thấp và isomaltose 8%.
Giới thiệu về hai loại enzyme amylase được sử dụng trong công đoạn nấu
dịch đường để sản xuất cồn.
Termamyl 120 L.
Termamyl 120 L được sử dụng trong công đoạn đường hóa sơ bộ. Enzyme này được sản xuất bởi hãng Novo Nordis, là chế phẩm enzyme có chứa amylase đặc biệt chịu nhiệt, được sản xuất từ chủng vi khuẩn đã được biến đổi gen Bacillus. Licheniformis. Enzyme là endo – amylase, thủy phân liên kết 1,4 – glucosid trong amylose và amylopectin. Vì thế tinh bột đã hồ hóa nhanh chóng bị thủy phân thành các dextrin và oligosaccharide hòa tan.
- Ứng dụng:
+ Termamyl được sử dụng trong các ngành công nghiệp cho mục đích dịch hóa tinh bột hoặc các nguyên liệu có chứa tinh bột như: công nghiệp chế biến tinh bột, công nghiệp sản xuất cồn và đường.
+ Trong công nghiệp sản xuất bia, termayl được sử dụng để dịch hóa các nguyên liệu phụ (nguyên liệu thay thế malt) ở nồi nấu nguyên liệu phụ. Nhờ có tính chất chịu nhiệt cao của enzyme, chương trình nấu được đơn giản hóa, giúp cho quá trình dịch hóa tinh bột được thực hiện tốt.
- Phương pháp sử dụng:
+ Vì lượng sử dụng tương đối nhỏ nên cần pha loãng termamyl vào nước có chất lượng tốt ở nhiệt độ thường nhằm đảm bảo sự phân tán đồng đều khi bổ sung enzyme vào nồi.
- Liều lượng sử dụng:
+ Tỉ lệ sử dụng là 0,25 – 1kg termamyl cho mỗi tấn nguyên liệu phụ được nấu. Nhà sản xuất cần phải thử nghiệm để xác định tỉ lệ sử dụng phù hợp nhất.
- Khoảng hoạt động tối ưu: + Nhiệt độ: 85 – 950C.
+ pH: 5,5 – 7.
+ Ca++ : 50 – 100ppm.
+ Tỉ lệ nước/nguyên liệu phụ: 2,5/1 đến 4/1. - Đặc điểm sản phẩm
+ Loại enzyme: amylase. + Hoạt độ: 120 KNU – F/g.
+ Màu sắc: từ màu sáng đến nâu sẫm. + Trạng thái vật lý: lỏng.
+ Tỉ trọng (g/ml): 1,26. + Độ nhớt: 1 – 25.
+ Chất ổn định: Methionine, NaCl, Sucrose.
+ Vi sinh vật sản xuất: B.licheniformis. Được sản xuất từ quá trình lên men chìm của vi sinh vật.
- Đặc điểm kỹ thuật:
Bảng 1.7. Đặc điểm kỹ thuật của enzyme termamyl 120L Mức dưới Mức trên Đơn vị
amylase (đơn vị KNU – F) 120 138 /g
pH ở 250C 5,5 7,0
Coliform.Bacteria - 30 /g
Enteropathogenic.coli - Không có /25g
salmonella - Không có /25g
Sản phẩm tuân theo các tiêu chuẩn về độ tinh khiết đối với các enzyme dùng trong ngành thực phẩm được quy định bởi Ủy ban chuyên môn chung của FAO/WHO về Phụ gia Thực phẩm (JECFA) và Bộ luật về Hóa chất Thực phẩm (FCC).
Fungamyl 800L.
Fungamyl 800L được sử dụng trong công đoạn đường hóa hoàn toàn. Enzyme này được sản xuất bởi hãng Novo Nordis, là amylase của nấm, được sản xuất từ chủng Asp.oryzae. Enzyme này thủy phân các liên kết
1,4 glucosid trong amylose và amylopectin, phản ứng kéo dài sẽ tạo ra một lượng lớn đường maltose.
- Ứng dụng:
+ Trong công nghiệp chế biến tinh bột, fungamyl được dùng để sản xuất syrup có tỉ lệ đường maltose cao.
+ Trong công nghiệp sản xuất bia, fungamyl được bổ sung vào nồi malt để thủy phân tinh bột. Ngoài ra fungamyl cũng được bổ sung vào đầu giai đoạn lên men để tăng độ lên men của dịch đường.
+ Trong công nghệ sản xuất cồn fungamyl được sử dụng để đường hóa tinh bột. - Phương pháp sử dụng: vì lượng sử dụng tương đối nhỏ nên cần pha loãng fungamyl vào nước có chất lượng tốt ở nhiệt độ thường, nhằm đảm bảo sự phân tán đồng đều khi bổ sung enzyme vào nồi.
- Lượng sử dụng:
Fungamyl được dùng để đường hóa tinh bột với hàm lượng 1 – 1,25 kg cho mỗi tấn nguyên liệu phụ được nấu.
- Khoảng hoạt động tối ưu: Nhiệt độ:; 50 – 600C. pH: 5 – 6.
- Đặc điểm sản phẩm:
+ Loại enzyme: amylase. + Hoạt độ: 800 FAU – F/g.
+ Màu sắc: từ màu sáng đến màu nâu sẫm. Màu sắc có thể thay đổi từ lô này sang lô khác. Cường độ màu không phải là thước đo hoạt độ enzyme.
+ Trạng thái vật lý: lỏng. + Tỉ trọng: 1,26 g/ml.
+ Chất ổn định: NaCl, sorbitol. + Chất bảo quản: kali sorbate.
+ Sinh vật sản xuất: Asp.oryzae. Được sản xuất từ quá trình lên men chìm của vi sinh vật.
- Đặc điểm kỹ thuật:
Bảng 1.8. Đặc điểm kĩ thuật của enzyme fungamyl 800L. Mức dưới Mức trên Đơn vị
amylase (đơn vị FAU – F) 800 920 /g
Coliform Bacteria - 30 /g
Enteropathogenic coli - Không có /25g
Salmonella - Không có /25g
Sản phẩm tuân theo các tiêu chuẩn về độ tinh khiết đối với các enzyme dùng trong ngành thực phẩm được quy định bởi Ủy ban Chuyên môn chung của FAO/WHO về Phụ gia Thực phẩm (FCC).