Ứng dụng của enzyme protease trong công nghệ sản xuất phomat

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM  TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG CỦA ENZYME PROTEASE TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHOMAT I Tổng quan về Phomat 1 1 Giới[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

- -

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CỦA ENZYME PROTEASE TRONG CÔNG

NGHỆ SẢN XUẤT PHOMAT

I Tổng quan về Phomat

1.1 Giới thiệu

Phomat là sản phẩm có nguồn gốc từ sữa được sản xuất bằng cách lên men và đông tụ casein sữa bò, dê, cừu hoặc một số động vật khác

Phomat là một sản phẩm truyền thống có mặt từ rất lâu đời Là loại thực phẩm rất giàu dinh dưỡng có hàm lượng protein và chất béo cao

Sản xuất phomat ra đời là một trong những phương pháp giúp bảo quản sữa, không những giữ được thành phần chất dinh dưỡng có trong sữa mà phomat còn mang lại hương vị đặc trưng riêng

Phomat là một sản phẩm có một vị trí đặc biệt trong chế độ ăn uống của người hiện đại Do sự thay đổi của các thành phần được sử dụng và công nghệ sản xuất, có một số lượng lớn các loại phô mai khác nhau về hương vị, mùi và tính nhất quán Sản xuất phomat là một trong những ngành công nghiệp thực phẩm cổ xưa nhất Từ thời đại đồ đá mới trong lãnh thổ của Ba Lan hiện đại đã có thể thu được bằng chứng rằng trong thiên niên kỷ thứ 5 trước Công nguyên, người ta đã chế biến sữa, làm phô mai Việc sản xuất phô mai giúp giải quyết một số nhiệm vụ:

• Bảo quản các thành phần chính của sữa (protein, chất béo, vitamin) trong một thời gian dài

• Chuyển sữa thành dạng rắn, đảm bảo giao thông thuận tiện hơn (phù hợp với người dân du mục)

• Tạo ra một sản phẩm sữa có hàm lượng đường sữa thấp hơn

• Ngoài ra, chế biến sữa cho phép tạo ra một sản phẩm đáp ứng sở thích hương vị của hầu hết mọi người tiêu dùng

1.2 Phân loại

Có nhiều cách để phân loại phomat

- Dựa vào hàm ẩm

Loại sản phẩm Giá trị MFFB, %

0

- Dựa vào hàm lượng chất béo

Loại sản phẩm Giá trị FBD, %

Phomat có hàm lượng chất béo rất cao > 60

Phomat có hàm lượng chất béo cao 45 - 60 Phomat có hàm lượng chất béo trung bình 25 - 45 Phomat có hàm lượng chất béo thấp 10 - 25

- Dựa vào phương thức sản xuất

• Phomat tươi đông tụ bởi acid

• Phomat tươi đông tụ bởi rennet

• Phomat đông tụ bởi acid ở nhiệt độ cao

• Phomat mềm ủ chín

• Phomat bán cứng có qua giai đoạn rửa

• Phomat cứng, nhiệt độ thấp

• Phomat cứng, nhiệt độ cao

1.3 Nguyên liệu:

Sữa

• Sữa được thu nhận từ những động vật khỏe mạnh, không chứa kháng sinh và

Bacteriophage

• Không bị nhiễm bẩn các chất tẩy rửa, chất sát trùng từ dụng cụ chứa hoặc đường ống vận chuyển

• Hàm lượng Casein trong sữa cao thì hiệu suất thu hồi phomat cao

Hệ VSV

• Vi khuẩn Lactic: Streptococcus thermophiles, Lactobacillus helveticus,

Leuconostoc lactic, Lactobacillus debrueckir, đóng vai trò tạo acid lactic

trong quá trình lên men, góp phần gây đông tụ sữa và tạo độ chua cho khối đông, làm chín phomat

• Nấm mốc: Penicillium candium, P.Glaucum, P.Cammenberi,… đóng vai trò

sản xuất proteolytic, lipolytic cho quá trình chín tới và tạo hương vị đặc trưng, trung hòa pH thích hợp cho hoạt động của Enzyme

• Vi khuẩn Propionic: Propionic bacteria, Bifido bacteria, tạo hương vị, tạo

mùi thơm, sinh CO2 , tạo lỗ, độ xốp cho phomat

Phụ gia và nguyên liệu khác

• CaCl2 : tăng khả năng đông vón và tách protein nhũ thanh Ngoài ra còn để hiệu chỉnh thời gian đông tụ, cấu trúc và độ cứng của khối đông

• CO2 : làm giảm nhẹ pH sữa, sục CO2 vào sữa giúp rút ngắn thời gian đông tụ casein hoặc giảm được lượng enzyme

• NaNO3 hoặc KNO3 : sử dụng như tác nhân ức chế hệ vi sinh vật nhiễm trong sữa

• Chất màu: màu sắc của phomat là do các hợp chất carotenoides hòa tan trong chất béo tạo nên

• Nguyên liệu phụ khác: sacharose, mật ong, nước ép trái cây, để đa dạng hóa các loại phomat

Vi khuẩn

Lactic

Nhân giống

Cấy giống

Lên men Thanh trùng Đồng hóa Chuẩn hóa

Tách Whey

Đổ khuôn Ướp muối

II Quy trình sản xuất phomat

Thành phẩm

Bảo quản Bao gói

Ủ chín

Sữa

Xử lý nhiệt

Enzyme trong quá trình đông tụ sữa:

- Enzyme Rennet với thành phần chủ chốt là chymosin, là các protease có khả

năng phân hủy hạn chế κ-casein trong sữa Rennet có khả năng đông tụ sữa mạnh nhất và được sử dụng phổ biến trong quy trình sản xuất phomat

- Trong quá trình đông tụ casein sữa cần làm giảm pH sữa ( 6.6 – 6.7 ) xuống đến pH đẳng điện của casein ( pI = 5.1 – 5.3 ) vì vậy cần lên men acid lactic trước khi đông

tụ bằng Rennet Thực tế, pH casein trong sữa đông tụ tốt nhất ở pH = 4.5 - 4.7

- Lên men: cấy vi khuẩn lactic vào môi trường sữa Quá trình lên men được tiến hành

ở nhiệt độ 30 - 40oC, chuyển đường lactose của sữa thành acid lactic Gây ra sự đông

tụ ¾ vi khuẩn lactic sẽ nằm trong cục sữa đông ¼ số vi khuẩn còn lại sẽ nằm trong huyết thanh ở bên ngoài cục sữa đông

- Đông tụ sữa: Hòa tan lượng chế phẩm Rennet với nước theo tỉ lệ 1/10 rồi cho vào bồn đông tụ

• Nhiệt độ duy trì: 35 – 40 oC

• Thời gian: 30 phút

• pH: 4.5 – 4.55

Cơ chế đông tụ sữa:

- Casein chiếm khoảng 80% protein trong sữa và bao gồm bốn loại protein chính: alpha S1, alpha S2, beta (β) và kappa theo tỷ lệ 40: 10: 35: 12 Trong sữa, hơn 95% casein được thể hiện dưới dạng các hạt keo lớn hoặc micelle kết tủa trong quá trình đông tụ-casein Trên bề mặt các Micelle chứa nhiều k-casein

• Rennet cắt đứt k-casein

• Tiến trình biến đổi vật lý từ sự đông tụ của casein do sự mất ổn định giữa các phần kị nước và phần không kị nước trong cấu trúc keo của casein tạo thành gel

• Sự phát triển tiếp theo của hệ thống gel (casein tạo cầu nối liên kết ion Canxi) tạo khối đông vững chắc

III Tác nhân gây đông tụ sữa

3.1 Enzyme Rennet có nguồn gốc từ động vật

- Tất cả các enzyme đông tụ có nguồn gốc từ động vật, được sử dụng rộng rãi trong

sản xuất phô mai, là Protease axit, cho thấy hoạt động tối đa trong môi trường axit Chúng được đặc trưng bởi một hàm lượng cao axit amin dicarboxylic và hàm lượng axit amin cơ bản thấp Chúng cũng được gọi là Protease aspartic, bởi vì có hai dư lượng của Aspartate trong trung tâm hoạt động của chúng Protease axit có 325-360

axit amin, khối lượng phân tử của chúng nằm trong khoảng 33.000-38.000 Da Trong

sản xuất phomat, các enzyme Rennet được biết đến nhiều nhất là Chymosin và

Pepsin Enzyme Rennet là hỗn hợp của Chymosin và Pepsin Tỉ lệ Chymosin/Pepsin

tùy thuộc vào tuổi của con vật

- Chymosin (EC 3.4.23.4) thường được sử dụng làm chất keo tụ sữa để sản xuất phomat Enzym đông tụ sữa có chứa Chymosin thu được từ động vật còn non thuộc các loài khác nhau và mỗi loài có đặc điểm sinh hóa cụ thể riêng Chymosin cừu cũng được sử dụng và gần giống với Chymosin bò Chymosin của động vật móng guốc có

độ pH tối ưu ở mức 4-4,7 trong khi Chymosin của động vật ăn thịt hoạt động trong điều kiện axit hơn Ví dụ, Chymosin mèo có hoạt tính phân giải protein tối ưu ở pH 2,5

- Pepsin (EC 3.4.23.1) -một loại enzyme được sản xuất bởi các tế bào chính của niêm

mạc dạ dày, thực hiện sự phân cắt protein thực phẩm thành peptide Nó có mặt trong dịch dạ dày của động vật có vú, chim, bò sát và cá Trọng lượng phân tử của pepsin

là khoảng 34,5 kDa, chuỗi chứa 3 liên kết disulfide Trái ngược với Chymosin, độ

pH tối ưu của Pepsin nằm trong khoảng 1,8-2,5 Ở độ pH kiềm, pepsin bị bất hoạt

hoàn toàn Pepsin, được sử dụng trong phô mai, được lấy từ dạ dày của bò, dê, lợn

và chim

Chế phẩm Rennet có nguồn gốc động vật

3.2 Enzyme Rennet có nguồn gốc từ thực vật

- Các yếu tố đạo đức, tôn giáo và kinh tế đã dẫn đến việc tìm kiếm một sự thay thế

cho các enzyme Rennet có nguồn gốc động vật Chất đông tụ thực vật được sử dụng

trong sản xuất phomat thay thế các enzyme thu được từ động vật Hoa cây cúc (

Carduus nutans ), hoa cây rum ( Carthamus tinctorius ) và nước ép cây vả ( Ficus carica ) được đề cập trong số các chất kích thích sự đông tụ của sữa

- Protease thực vật thường thuộc về nhóm protease cystein, aspartate và serine

Protease Cysteine bao gồm các enzyme phân lập từ Carica papaya (papain, chymopapain, caricaine, glycyl endopeptidase), Ananas comosus (bromelain, ananine, comozain) và Ficus glabrata và Ficus racemosa (ficin).Do hoạt tính phân

giải protein cao, tính đặc hiệu và hoạt tính rộng ở các giá trị pH và nhiệt độ khác nhau, các enzyme này có tiềm năng thương mại cao

- Papain (EC 3.4.22.2, 23.4 kDa) là enzyme phân giải protein thu nhận từ đu đủ được

sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất thực phẩm Phạm vi pH tối ưu cho papain là khá rộng (5.0-7.0) và thay đổi tùy theo tính chất của cơ chất Ngoài ra, papain hoạt

động trong phạm vi nhiệt độ rộng (10 - 90°С) Một protease khác được phân lập từ

đu đủ là Chymopapain (EC 3.4.22.6, 23.5 kDa) Papain và Chymopapain đều có sự

tương đồng về cấu trúc Cả hai protein đều chứa ba liên kết disulfide và trung tâm hoạt động của chúng gần như giống hệt nhau Thêm một protease từ đu đủ

Caricacarikain (EC 3.4.22.30, 23.6 kDa) giống với papain và chymopapain

- Một protease khác, Bromelain (EC 3.4.22.32, 22.8 kDa), được phân lập từ thân và quả dứa chưa trưởng thành Bromelain hoạt động ở pH 6.0-8.5 và ở nhiệt độ 50-60

°C Cùng với Bromelain từ thân và quả dứa, các enzyme phân giải protein khác đã

được tìm thấy: Ananain (EC 3.4.22.31, 25.5 kDa) và Comozain

- Ficin (EC 3.4.22.3, 23.5 kDa) là một protease đầu tiên được phân lập từ mủ khô của cây vả Ficus glabrata Một quả mọng nặng 10 - 15 g chứa tới 150 mg ficin Ficin hoạt động ở pH 5,0-8,0 và ở nhiệt độ 45-55 °C Trong làm phô mai, papain,

bromelain và ficin được sử dụng làm chất đông tụ sữa

- Protease Aspartic hoạt động mạnh nhất trong môi trường axit và có tính đặc hiệu

cao trong sự phân cắt liên kết peptide giữa dư lượng axit amin kỵ nước của chất nền

Người ta đã biết về sự hiện diện của protease aspartic sở hữu khả năng đông tụ sữa trong Saint-Mary-thistle Silybum marianum , atisô Cynara scolymus , cây kế Thổ Nhĩ Kỳ Onopordum turcicum , cây ngô Centaurea calcitrapa và hạt gạo

- Protease serine được tìm thấy trong hầu hết các nhóm thực vật phân loại và có mặt

trong hầu hết các bộ phận của cây, nhưng với số lượng lớn nhất trong trái cây Trọng

lượng phân tử của Protease serine có nguồn gốc thực vật thay đổi từ 19 đến 110 kDa

Protease serine thực vật hoạt động trong một phạm vi rộng của pH 7-11 và nhiệt độ

20-50 °C Dưa chuột Sarcocarpus chứa nồng độ cao của Serin protease cucumisin

(EC 3.4.21.25, 67.1 kDa), có cấu trúc tương tự như Subilisin Enzyme này thể hiện

hoạt tính đông phân giải protein và sữa cao Cucumisin có hoạt tính đông tụ giống như papain, tạo ra các peptide ít hơn với sự thoái hóa đắng hơn so với các chất được hình thành bởi các protease thực vật khác Một enzyme khác của nhóm serine,

lettucin, từ lá của Lactuca sativa , có khả năng kích thích sự vô tổ chức đáng kể của

cấu trúc micellar của casein và kết quả của hoạt động phân giải protein tương tự như quá trình đông tụ của sữa

- Bên cạnh việc phân lập protease từ thực vật, người ta rất quan tâm đến các phương pháp sản xuất chúng trong ống nghiệm bằng phương pháp vi nhân giống, nuôi cấy tế bào và tế bào huyền phù và nuôi cấy rễ biến đổi rất đáng quan tâm Việc áp dụng các công nghệ này có một số lợi thế, trong đó chính là khả năng thu được một lượng lớn protease đồng nhất, giúp sản xuất khả thi về mặt kinh tế Ngoài ra, các phương pháp công nghệ sinh học để thu được nguyên liệu thô trong điều kiện phòng thí nghiệm

cho phép độc lập với điều kiện khí hậu và mùa vụ và rút ngắn thời gian cần thiết để sản xuất sản phẩm cuối cùng và khắc phục những khó khăn phát sinh từ việc chiết xuất enzyme từ nguyên liệu tự nhiên

Chế phẩm Rennet có nguồn gốc thực vật

3.3 Enzyme Rennet có nguồn gốc từ Vi sinh vật

- Việc thay thế Rennet động vật có thể được thực hiện không chỉ bởi các protease thực vật, mà bởi các enzyme giống như Pepsin có nguồn gốc vi sinh vật Ưu điểm

của enzyme vi sinh vật: chi phí sản xuất thấp, tuân thủ các tiêu chí về nguồn gốc tự

nhiên và yêu cầu ăn chay Ngay trong năm 1974, các protease Rhizomucor miehei,

R pussilus và Cryphonectria parastica đã được sử dụng để sản xuất 60% phô mai

sản xuất tại Hoa Kỳ Những loại nấm sợi tạo ra các enzyme đông tụ sữa vẫn là mối quan tâm lớn nhất đối với việc sản xuất phô mai ngày nay

Protease aspartate thu được từ R miehei và R pussilus có cấu trúc không gian tương

tự như Chymosin, được gọi là Mucorpepsin (EC 3.4.23.23) và là enzyme Rennet phổ

biến nhất có nguồn gốc vi sinh

Endotiapepsin (EC 3.4.23.22) được sản xuất bởi C parastica Một tính năng đặc biệt

của protease này là khả năng chịu nhiệt cao, ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các

loại phô mai như Cheddar, Swiss, Colby và Ý Phô mai làm bằng Endotiapepsin

được các chuyên gia đánh giá là tương đương hoặc thậm chí vượt trội về chất lượng

so với Phomat kiểm soát được sản xuất bằng chymosin động vật

Chế phẩm Rennet có nguồn gốc từ Vi sinh vật

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Aktayeva S, Akishev Zh., Khassenov B (2018) Proteolytic enzyme in cheese marking

http://biotechlink.org/12018/article2?fbclid=IwAR1fjE64xxFrHnJ6BsRUcjfL qqXaBH6IzrbkfTgqoUMXaTzZFHDmFl3BAI4

2 Almeida CM, Simões (2018) Cardoon-based rennets for cheese production.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29696340

3 Muñoz SV, Torres MG, Guerrero FQ, Talavera RR (2017) A new study of the kinetics of curd production in the process of cheese manufacture.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28929978