Tăng hiệu suất thu hồi dịch quả bằng phương pháp Enzyme và sóng siêu âm

MỤC LỤC 1 Giới thiệu sơ lược về tác dụng Enzime và sóng siêu âm. 7 1.1 Lịch sử phát triển của sóng siêu âm. 7 1.2 Lịch sử phát triển của enzyme. 7 1.3 Giới thiệu về sóng siêu âm và phân loại. 9 1.3.1 Bản chất của sóng âm. 9 1.3.2 Phân loại sóng siêu âm. 10 1.4 Giới thiệu về enzyme và phân loại. 11 1.4.1 Định nghĩa enzyme: 11 1.4.2 Phân loại enzyme. 12 2 Cơ chế tác dụng của sóng siêu âm và enzyme. 13 2.1 Sóng siêu âm. 13 2.1.1 Nguyên lý tác động của sóng siêu âm. 13 2.1.1.1 Hiện tượng xâm khí thực. 13 2.1.1.2 Hiện tượng vi xoáy: 14 2.1.2 Các hiệu ứng vật lý và hóa học khi chiếu siêu âm lên hệ chất lỏng- 14 2.1.2.2 Hiện tượng vỡ bóng. 15 2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hình thành và vỡ bóng- 15 2.2 Cơ chế tác động của enzyme: 16 2.3 Phạm vi ứng dụng- 17 2.3.1 Phạm vi áp dụng của sóng siêu âm: 17 2.3.2 Phạm vi áp dụng của enzyme. 18 3 Ứng dụng trong công nghệ sản xuất thực phẩm. 19 3.1 Ứng dụng của enzyme trong quá trình thu hồi dịch quả của enzyme. 20 3.1.1 Quy trình sản xuất. 21 3.1.1.1 Kiểm tra bằng mắt. 21 3.1.1.2 Rửa. 21 3.1.1.3 Dịch nghiền. 21 3.1.1.4 Dịch cháo nghiền. 22 3.1.1.5 Nước quả sau đó được bơm đến bồn chứa để lọc bỏ tạp chất. 22 3.1.1.6 Nước quả sau khi lọc được bơm đến bồn làm trong. 22 3.1.1.8 Nước táo sau khi được xử lý enzyme. 23 3.1.2 Cơ chế tác dụng trong dịch quả khi thu hồi dịch- 23 3.2 Tác động của sóng siêu âm đến hoạt tính enzyme trong công nghê thực phẩm. 27 3.2.1 Siêu âm sử dụng trong quá trình khai thác và bảo quản. 29 4 Chất lượng dịch quả sau thu hồi. 31 5 Tổng kết. 34 DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ 1 Giới thiệu sơ lược về tác dụng Enzime và sóng siêu âm. 7 Hình 1.1: Sóng siêu âm 10 2 Cơ chế tác dụng của sóng siêu âm và enzyme. 13 Hình2.2 Quá trình hình thành, phát triển và vỡ các bọt khí 16 Hình 2.3 Cơ chế tác động của enzyme. 16 3 Ứng dụng trong công nghệ sản xuất thực phẩm. 19 Hình 3.1 Táo xanh. 20 Hình3.2 Sản phẩm nước táo. 23 Biểu đồ 3.1 Ảnh hưởng của pectinaza trên tỷ lệ phần trăm sản lượng. 24 Hình 3.3 sơ đồ thiết bị trong sản xuất nước táo. 25 4 Chất lượng dịch quả sau thu hồi. 31 5 Tổng kết. 34

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

TĂNG HIỆU SUẤT THU HỒI DỊCH QUẢ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZYME VÀ

SÓNG SIÊU ÂM.

Giáo Viên Hướng Dẫn : Th.S NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG

Lớp : DHTP6CLT- Nhóm: 14

Sinh Viên Thực Hiện:

TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2011 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nguyễn Thị Diệu Hậu 10308091

Hà Thị Kim Loan 10311321 Trần Yến Như 10318311 Huỳnh Phương Thế Ngọc 10313651 Trần Kim Thúy 10309301

MỤC LỤC Hình 1.1: Sóng siêu âm 9

1.3.2 Phân loại sóng siêu âm.[2] 9

1.4.1 Định nghĩa enzyme.[8],[10] 10

1.4.2 Phân loại enzyme.[9], [8] 11

2 CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYME VÀ SÓNG SIÊU ÂM 11

2.1 Sóng siêu âm 12

2.1.1 Nguyên lý tác động của sóng siêu âm 12

2.1.1.1 Hiện tượng xâm khí thực 12

2.1.1.2 Hiện tượng vi xoáy: 13

2.1.2 Các hiệu ứng vật lý và hóa học khi chiếu siêu âm lên hệ chất lỏng 13

2.1.2.2 Hiện tượng vỡ bóng 14

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hình thành và vỡ bóng 14

Hình2.2 Quá trình hình thành, phát triển và vỡ các bọt khí 15

2.2 Cơ chế tác động của enzyme: 15

Hình 2.3 Cơ chế tác động của enzyme 15

2.3 Phạm vi ứng dụng 16

2.3.1 Phạm vi áp dụng của sóng siêu âm: 16

2.3.2 Phạm vi áp dụng của enzyme 17

3 ỨNG DỤNG CỦA ENZYME VÀ SÓNG SIÊU ÂM TRONG THỰC PHẨM 18

3.1.1 Quy trình sản xuất 19

Biểu đồ 3.1 Ảnh hưởng của pectinaza trên tỷ lệ phần trăm sản lượng 23

Hình 3.3 sơ đồ thiết bị trong sản xuất nước táo 23

3.2 Tác động của sóng siêu âm đến hoạt tính enzyme trong công nghê thực phẩm .25

3.2.1 Siêu âm sử dụng trong quá trình khai thác và bảo quản 27

5 TỔNG KẾT 32

DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Sóng siêu âm 9

2 CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYME VÀ SÓNG SIÊU ÂM 11

Hình2.2 Quá trình hình thành, phát triển và vỡ các bọt khí 15

Hình 2.3 Cơ chế tác động của enzyme 15

3 ỨNG DỤNG CỦA ENZYME VÀ SÓNG SIÊU ÂM TRONG THỰC PHẨM 18

Biểu đồ 3.1 Ảnh hưởng của pectinaza trên tỷ lệ phần trăm sản lượng 23

Hình 3.3 sơ đồ thiết bị trong sản xuất nước táo 23

5 TỔNG KẾT 32

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam là nước khí hậu cận nhiệt đới, điều kiện tự nhiên thuận lợi cho quanhnăm bốn mùa có hoa trái Mùa nào, quả nấy, trải suốt 3 miền đất nước, từ Bắc vàoNam, đâu đâu cũng đầy hoa thơm trái ngọt với nguồn đặc sản phong phú và đa dạng,

hiện nay, cả nước hiện có khoảng 776.000 ha cây ăn trái, sản lượng mỗi năm 7 - 8 triệu

tấn, trong đó có nhiều loại ngon như: nhãn lồng Hưng Yên, vải thiều, sầu riêng sữa hạtlép, xoài cát Hòa Lộc, bưởi Năm Roi, bưởi da xanh, thanh long… Tuy nhiên sức cạnhtranh còn yếu, kim ngạch xuất khẩu thấp, chưa tương xứng với tiềm năng vốn có Làm

gì để nâng cao giá trị và gia tăng kim ngạch xuất khẩu trái cây đang là vấn đề bức báchđặt ra

Nhìn chung sản xuất cây ăn quả mới nhắm vào phục vụ thị trường trong nước,một thị trường dễ tính, đang tăng nhanh nhưng sẽ bị cạnh tranh mạnh trong tương lai.Triển vọng của ngành sản xuất này là rất lớn với điều kiện đầu tư thích đáng và đồng

bộ từ nghiên cứu, tổ chức sản xuất giống, chế biến, đóng gói, vận chuyển, tiêu chuẩncất lượng, nhãn hiệu, tiếp thị, những lĩnh vực Việt Nam còn rất yếu kém

Vì vậy cần đẩy mạnh thị trường xuất khẩu ngoài việc kiểm soát nguồn nguyênliệu tốt ta cần đầu tư các dây chuyền sản xuất hiện đại, theo kịp tiến độ phát triển cácnước tiên tiến ta luôn hoc hỏi không ngừng, Hiện nay ngành rau quả, đồ uống của nước

ta đang phát triển mạnh không chỉ đa dạng về các dòng sản phẩm mà còn đa dạng vềphương pháp sản xuất Ngoài việc trích ly dịch quả bằng các phương pháp truyền thốngnhư nghiền, ép, chần, chà…hiện có, các tổ chức nghiên cứu còn nghiên cứu cácphương pháp mới trong việc trích ly dịch quả để tăng hiệu suất và khắc phục nhữngnhược điểm cúa các phương pháp truyền thống và đẩy mạnh thị trường xuất khẩu Vìnhu cầu thực tiễn nhóm em tìm hiểu về các biện pháp làm tăng hiệu suất thu hồi dịchquả như enzyme, sóng siêu âm,…

TĂNG HIỆU SUẤT THU HỒI DỊCH QUẢ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZYME VÀ SÓNG SIÊU ÂM

1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ SÓNG SIÊU ÂM VÀ ENZYME

1.1 Lịch sử phát triển của sóng siêu âm [7]

Hóa học ứng dụng siêu âm gọi là âm hóa học (sonochemistry), nó đã trở thành một lĩnhvực nghiên cứu mới trong thập kỷ qua Lịch sử của ngành âm hóa học phát triểnsau những năm 1800 1984, trên con tàu chiến cao tốc, Sir John I Thornycroft vàSydney W Barnaby đã phát hiện con tàu lắc dữ dội và chân vịt tàu bị ăn mònnhanh chóng Họ tìm hiểu và thấy có những bóng khí lớn hình thành trên chân vịtcủa tàu khi tàu đang chạy, sự hình thành và vỡ của những bóng khí, bằng cáchtăng kích thước của chân vịt và giảm vận tốc quay của chân vịt họ đã hạn chế được

sự ăn mòn Vì thế phát hiện ra được cơ chế cavitation (tạm gọi là "sự tạo và vỡbọt")

Năm 1984, Ordónez, Sanz, Hernández và López-Lorenzo nghiên cứu sự kết hợp giữanhiệt độ và sóng siêu âm và đã nhận thấy rằng hiệu quả của phương pháp này caohơn so với tổng tác động mà từng yếu tố gây ra Nó có khả năng vô hoạt đượcperoxidase, catalase, những enzyme tự nhiên có trong sữa mà không hề làm caseinbiến tính

Năm 1999, De Genaro, Cavella, Romano và Masi đã sử dụng kết hợp áp suất, nhiệt độ

và sóng siêu âm để vô hoạt peroxidase, phương pháp này gọi làmanothermosonication (MTS)

Enzyme là một đối tượng quan trọng trong công nghệ thực phẩm Người ta nhận thấyrằng: sóng siêu âm không chỉ có khả năng làm tăng hoạt tính enzyme, vô hoạtenzyme mà trong một số trường hợp hoạt tính enzyme không hề bị thay đổi Sóngsiêu âm không tác động đến hoạt tính enzyme là một hướng nghiên cứu mới từnăm 2007 đến nay

1.2 Lịch sử phát triển của enzyme.[8]

Do enzyme học được coi như cột sống của hóa sinh học nên phần lớn các nghiên cứu hóasinh từ trước đến nay đều liên quan nhiều đến enzyme

Về sự phát triển của học thuyết enzyme, có thể chia thành 4 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: trước thế kỷ thứ XVII

- Giai đoạn 2: từ thế kỷ XVII đến nửa đầu thế kỷ XIX

- Giai đoạn 3: từ giữa thế kỷ XIX đến 30 năm đầu của thế kỷ XX

- Giai đoạn 4: từ những năm 30 của thế kỷ XX đến nay

Giai đoạn 1

Trước thế kỷ XVII người ta đa biết sử dụng các quá trình enzyme trong đời sống songchỉ có tính chất kinh nghiệm thực tế và thông qua hoạt động của vi sinh vật Đó là các quátrình lên men rượu, muối dưa, làm tương và nước chấm Ở thời kỳ này người ta chưa hiểu vềbản chất enzyme và các quá trình lên men

Giai đoạn 2

Ở giai đoạn này các nhà bác học đã tiến hành tìm hiểu bản chất của các quá trình lênmen.

Năm 1600 Van Helmont đã nhận thấy thực chất của sự tiêu hóa là sự chuyển hóa hóa họccủa thức ăn và giải thích cơ chế của nó với sự so sánh nó với quá trình lên men rượu

Năm 1814 Kirchoff, viện sĩ Saint Petercburg đã phát hiện nước chiết của mầm đại mạch

có khả năng chuyển hóa tinh bột thành đường ở nhiệt độ thường Đây là công trình đầu tiênthu được chế phẩm amylase ở dạng dung dịch và lịch sử enzyme học thực sự được xem nhưbắt đầu từ đây

Sau đó, lý thuyết xúc tác đã ra đời Năm 1835, nhà khoa học Berzelius có quan điểm chorằng tăng tốc độ phản ứng là hiện tượng xúc tác Đây là một quan điểm đúng nhưng ông quanniệm theo trường phái duy tâm nên chưa được công nhận

Giai đoạn 3

Giai đoạn từ giữa thế kỷ XIX đến 30 năm đầu của thế kỷ XX Có hai trường phái:

Trường phái Pasteur:

Năm 1856 Pasteur đã đề cập đến bản chất của quá trình lên men Ông cho rằng khôngthể tách các enzyme khỏi tế bào và chia thành 2 loại: "enzyme có tổ chức" và “enzyme không

có tổ chức”

Trường phái Liebig:

Chống lại quan điểm trên của Pasteur Liebig cho rằng có thể không có hoạt động của các

tế bào vi sinh vật cũng có quá trình lên men Nhưng năm 1871 Liebig thất bại vì thực nghiệmkhông chứng minh được quan điểm trên của mình

Năm 1883, Duyclo, nhà bác học Pháp đã đề ra nguyên tắc phân loại enzyme theo cơ chất(substrate) do chúng biến đổi và thêm đuôi tận cùng "ase" vào

Bác học vĩ đại người Đức E Fisher đã đưa ra giả thuyết nổi tiếng của ông là giữaenzyme và cơ chất kết hợp với nhau như "ổ khóa với chìa khóa"

Đanilepski, 1894 phát hiện ra tác dụng thuận nghịch của enzyme

Vào đầu thế kỷ XX, đã phát sinh ra cơ sở động học trong tác động của enzyme dựa vàonhững nghiên cứu của nhà bác học Anh là Brown và nhà bác học Pháp là Henri

Đến năm 1913, Michaelis và Menten đã phát triển các công trình trên và nêu lên thuyếtđộng học của sự xúc tác enzyme

Giai đoạn 4

Từ giữa thế kỷ thứ XX, nhất là thời gian gần đây enzyme học phát triển rất mạnh Người

ta cũng đã xác định được các enzyme xúc tác cho các quá trình trao đổi chất như: hệ thốngenzyme đường phân, Embden -Meyerhof - Parnas năm 1933, hệ thống enzyme của chu trìnhKreps - Szent Gyorgy năm 1937 (chu trình citric acid), chu trình ornithrin trong trao đổi chấtcủa protein năm 1932 (Krebs - Henseleit) Nhờ những phương pháp mới trong việc tách và

làm sạch enzyme, người ta đã xác định được vai trò rất quan trọng của kim loại trong sự xúctác của enzyme và tác dụng hoạt hóa của chúng.

Hiện nay người ta đang quan tâm và chú ý nghiên cứu đến việc ứng dụng enzyme tậndụng các nguyên liệu giàu enzyme để tách enzyme, dùng chế phẩm enzyme này để chế biếncác nguyên liệu khác nhau hoặc sử dụng vào mục đích khác nhau

1.3 Giới thiệu về sóng siêu âm.

1.3.1 Bản chất của sóngsiêu âm.[2],[7]

Sóng siêu âm là tên gọi của những sóng có tần số cao hơn 18 kHz Sử dụng sóng siêu âmnăng lượng cao trong công nghệ thực phẩm ngày càng được khảo sát tỉ mỉ Phần lớn cácnghiên cứu đều áp dụng tần số sóng trong khoảng từ 20 kHz đến 40 kHz Các môi trường chấtđàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi trường liên tục gồm những phần tửliên kết chặt chẽ với nhau Lúc bình thường, mỗi phần tử có một vị trí cân bằng bền Nếu tácđộng một lực lên một phần tử A nào đó bên trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cânbằng bền Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phần tử

A bị kéo về vị trí cân bằng, một mặt nó cũng chịu tác dụng bởi lực tác động nên phần tử A sẽ

di chuyển qua – lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phần tử A thực hiện chuyển động dướidạng dao động Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường Dạngdao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóngđàn hồi hay sóng cơ, nói một cách khác, sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượngđược dẫn truyền dưới dạng dao động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng

Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm

Hình bên dưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất

Hình 1.1: Sóng siêu âm

Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:

- Chu kỳ T = (s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn

- Tần số f = (Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây

- Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một đơn vị thời gian

- Độ dài bước sóng λ = (μm): là quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ (λ = v.T = v/f) Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng λ là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau

Phân loại theo phương dao động: Dựa vào cách truyền sóng, người ta chia sóng cơ ra

làm hai loại: sóng dọc và sóng ngang

- Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường vuông góc với tia sóng Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng Tính chất này chỉ có ở vật rắn

- Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với tia sóng Sóng dọc xuất hiện trong cá môi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó nó truyền được trongcác vật rắn cũng như trong môi trường lỏng và khí

Sóng siêu âm ứng dụng trong siêu âm chẩn đoán thuộc loại sóng dọc

Phân loại theo tần số: Sóng âm được chia theo dải tần số thành 3 vùng chính.

-Sóng âm tần số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasound): f < 16 Hz Ví dụ: sóng địa chấn.

-Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz

-Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz

Các nguồn sóng siêu âm có trong tự nhiên: Dơi, một vài loài cá biển phát sóng siêu âm

để định hướng … Nói chung các sóng này nằm trong vùng tần số 20 – 100 kHz Sóng siêu âmứng dụng trong y học có tần số từ 700 KHz đến 50 MHz trong đó siêu âm chẩn đoán sử dụngcác tần số từ 2 MHz đến 50 MHz

1.4 Giới thiệu về enzyme và phân loại.

1.4.1 Định nghĩa enzyme.[8],[10]

Trong cơ thể sống (các tế bào) luôn luôn xảy ra quá trình trao đổi chất Sự trao đổi chấtngừng thì sự sống không còn tồn tại Quá trình trao đổi của một chất là tập hợp các quy luậtcủa rất nhiều các phản ứng hóa học khác nhau Các phản ứng hóa học phức tạp này có liênquan chặt chẽ với nhau và điều chỉnh lẫn nhau Enzyme là các hợp chất protein xúc tác cho cácphản ứng hóa học đó Chúng có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học nhất định vàđảm bảo cho các phản ứng xảy ra theo một chiều hướng nhất định với tốc độ nhịp nhàng trong

cơ thể sống

Nguyên liệu sử dụng trong công nghệ thực phẩm là các sản phẩm nông sản thực tế chúng

là các vật thể sống, do đó trong quá trình bảo quản hoặc chế biến chúng thành các sản phẩmthực phẩm xảy ra hàng loạt các quá trình biến đổi sinh học mà các quá trình này được xúc tác

tự nhiên bởi enzyme bản thể hay do nhà công nghệ đưa vào để đạt mục đích đặt ra Vì vậy cóthể nói enzym đóng vai trò chủ chốt trong các quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm.Bản chất: Enzyme có bản chất là protein và là chất xúc tác sinh học có tính đặc hiệu cao Bốn vai trò chính của enzyme trong CNTP:

+Enzyme khắc phục khiếm khuyết tự nhiên của nguyên liệu: Các sản phẩm nông sản cóchất lượng về dinh dưỡng, thành phần hóa học, tính chất cảm quan phụ thuộc nhiều vào:giống, loại nông sản, điều kiện canh tác, điều kiện thu hái và vận chuyển, điều kiện bảo quản.+ Enzyme nâng cao giá trị thương phẩm của nguyên liệu: Trong thực tế có rất nhiều cácnguyên liệu nông sản có giá trị thương phẩm thấp Sau khi được chuyển hóa bởi tác dụng củaenzyme thì giá trị thương phẩm cao hơn rất nhiều,

+ Enzyme là công cụ trong quá trình chuyển hóa công nghệ: Trong các nhà máy chế biếnthực phẩm thì enzyme được sử dụng như một công cụ của toàn bộ quá trình chuyển hóa hoặc

là toàn bộ quá trình chuyển hóa trong dây chuyền chế biến Nếu thiếu sự có mặt của nó thì quátrình chế biến không thành công

+ Enzyme tăng tính chất cảm quan của sản phẩm: Trong chế biến thực phẩm sau khi xảy

ra các giai đoạn chuyển hóa chính, thông thường các sản phảm thực phẩm chưa hẳn đã đạtchất lượng cảm quan tối ưu Vì thế chúng có các giai đoạn hoàn thiện sản phẩm , trong giai

đoạn này hoặc là tạo nên những điều kiên mới cho các enzyme bản thể có lợi phát huy tácdụng có lợi hoặc bổ sung các enzyme từ ngoài vào để làm tăng chất lượng cảm quan của sảnphẩm như cải thiện mùi và vị của sản phẩm.

1.4.2 Phân loại enzyme.[9], [8]

Mục đích của phân loại enzyme là để nhấn mạnh một cách chính xác và tổng quát, mốiquan hệ và những điều giống nhau của một loại enzyme

Sáu lớp enzyme theo phân loại quốc tế gồm có:

+ Oxydoreductase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng oxy hóa - khử Trong nhóm này cótất cả các enzyme có các tên thông thường đã biết như dehydrogenase, oxydase,cytochromreductase và peroxydase Trong các phản ứng do chúng xúc tác xảy ta sự vậnchuyển hydrogen, sự chuyển electron, sự oxy hóa bởi oxy phân tử, bởi hydrogen peroxidehoặc bởi các chất oxy hóa khác

+ Transferase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng chuyển vị Các transferase do bản chấtcủa những gốc mà chúng vận chuyển có thể tham gia vào các quá trình trao đổi chất rất khácnhau Trong lớp transferase bên cạnh transaminase và methyltransferase còn có các kinasekhác nhau (xúc tác chủ yếu cho sự vận chuyển của gốc phosphate từ hợp chất cao năng tớichất khác, một phần lớn các enzyme trước kia gọi là mutase và một vài loại synthetase, ví dụcác enzyme tổng hợp DNA và RNA)

+ Hydrolase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân Trong lớp này có các enzymephân giải este (ví dụ lipid), glucozid, amid, peptid, protein

+ Lyase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng phân cắt không cần nước, loại nước tạothành nối đôi hoặc kết hợp phân tử nước vào nối đôi Thuộc vào lớp này có các enzyme đượcgọi là hydratase, aldolase, decarboxylase cũng như một số desaminase

+Isomerase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa Tính cho đến cùng thìchúng xúc tác cho những phản ứng chuyển các nhóm khác nhau bên trong phân tử Trong lớpnày không những có những enzyme chuyển hóa các đồng phân hình học và đồng phân quanghọc (như alaninracemase) mà cả các enzyme xúc tác cho các phản ứng Ví dụ: sự chuyển hóaaldose thành cetose (glucosophosphate isomerase, trướckia gọi là phosphohexoisomerase)hoặc biến đổi vị trí của liên kết este bên trong phân tử (ví dụ phosphoglucomutase)

+ Ligase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng tổng hợp có sử dụng liên kết giàu năng lượng ATP v.v

2 CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYME VÀ SÓNG SIÊU ÂM

2.1 Sóng siêu âm.

2.1.1 Nguyên lý tác động của sóng siêu âm.

Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường chất lỏng, các chu trình kéo và nén liêntiếp được tạo thành Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờliên kết hóa học Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần nhau hơn và trongchu trình kéo chúng bị tách ra xa Áp lực âm trong chu trình kéo đủ mạnh để thắng các lực liênkết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ

Trong suốt chu trình kéo/nén bọt khí kéo giãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được cân bằnghơi nước ở bên trong và bên ngoài bọt khí Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình kéo lớnhơn trong chu trình nén Vì vậy sự khuyếch tán khí trong chu trình kéo lớn hơn và kích cỡ bọtkhí cũng tăng lên trong mỗi chu trình Các bọt khí lớn dần đến một kích cỡ nhất định mà tại đónăng lượng của sóng siêu âm không đủ để duy trì pha khí khiến các bọt khí nổ tung dữ dội.Khi đó các phân tử va chạm với nhau mãnh liệt tạo nên sự sốc sóng trong lòng chất lỏng, kếtquả là hình thành những điểm có nhiệt độ và áp suất rất cao (50000C và 5x104kPa) với vận tốcrất nhanh 106 oC/s

2.1.1.1 Hiện tượng xâm khí thực.

Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường chất lỏng, các chu trình kéo và nén liêntiếp được tạo thành Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gầnnhau nhờ liên kết hóa học Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ởgần nhau hơn và trong chu trình kéo chúng bị tách ra xa Áp lực âm trong chu trình kéo đủmạnh để thắng các lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ Bọt khítrở thành hạt nhân của hiện tượng xâm thực khí, bao gồm bọt khí ổn định và bọt khítạm thời (Kuldiloke J., 2002).Bọt khí ổn định là nguồn gốc của những bong bóng khínhỏ, kích thước của chúng dao động nhẹ trong các chu trình kéo và nén Sau hàng ngàn chutrình, chúng t ă n g t h ê m v ề k í c h t h ư ớ c

T r o n g s u ố t q u á t r ì n h d a o đ ộ n g , b ọ t k h í ổ n đ ị n h c ó t h ể chuyển thành bọtkhí tạm thời Sóng siêu âm làm rung động những bọt khí này, tạo nên hiện tượng “ sốcsóng” và hình thành dòng nhiệt bên trong chất lỏng Bọt khí ổn định có thể lôi kéonhững bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và tạo thành dòngnhiệt nhỏ (Kuldiloke J., 2002).Các bọt khí tạm thời có kích cỡ thay đổi rất nhanhchóng, chỉ qua vài chu rình chúng bị vỡ ra Trong suốt chu trình kéo/nén, bọt khíkéo giãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được cân bằng hơi nước ở bên trong và bên ngoàibọt khí Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình kéo lớn hơn trong chu trình nén, vì vậy sựkhuyếch tán khí trong chu trình kéo lớn hơn và kích cỡ bọt khí cũng tăng lên trong mỗi chutrình Các bọt khí lớn dần đến một kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóngsiêu âm không đủ để duy trì pha khí khiến các bọt khí nổ tung dữ dội Khi đó các phân tử vachạm với nhau mãnh liệt tạo nên hiện tượng “ sốc sóng “ trong lòng chất lỏng, kếtquả là hình thành những điểm có nhiệt độ và áp suất rất cao (50000C và 5x104kPa)với vận tốc rất nhanh 106 oC/s

Hình: Sự hình thành bọt khí trong sóng siêu âm

Hiện tượng xâm thực khí mở đầu cho rất nhiều phản ứng do có sự hình thành các ion tự

do trong dung dịch; thúc đẩy các phản ứng hóa học nhờ có sự trộn lẫn cácchất phản ứng vớinhau; tăng cường phản ứng polymer hoá và depolymer hóa bằngcách phân tán tạm thời cácphần tử hay bẻ gãy hoàn toàn các liên kết hóa học trongchuỗi polymer; tăng hiệu suất đồnghoá; hỗ trợ trích ly các chất tan như enzyme từ tế bào động vật, thực vật, nấm men hay vikhuẩn; tách virus ra khỏi tế bào bị nhiễm;loại bỏ các phần tử nhạy cảm bao gồm cả vi sinh vật(Kuldiloke J., 2002)

2.1.1.2 Hiện tượng vi xoáy:

Sóng siêu âm cường độ cao truyền vào trong lòng chất lỏng sẽ gây nên sự kích thích mãnh liệt Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng/rắn hay khí/rắn, sóng siêu âm gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy Hiện tượng này làm giảm ranh giới giữa các pha, tăng cường sự truyền khối đối lưu và thúc đẩy xảy ra sự khuyếch tán ở một vài trường hợp mà khuấy trộn thông thường không đạt được

2.1.2 Các hiệu ứng vật lý và hóa học khi chiếu siêu âm lên hệ chất lỏng.

l ự c h ấ p d ẫ n n ộ i t ạ i v à c á c l ỗ h ổ n g n h ỏ t r o n g l ò n g c h ấ t l ỏ n g đ ư ợ c h ì n hthành.

Hiện tượng trên còn được gọi là hiện tượng sủi bóng Những bóng sủi này sẽlớn dần lên bởi quá trình khuếch tán một lượng nhỏ các cấu tử khí (hoặc hơi) từpha lỏng trongsuốt pha dãn nở và không được hấp thụ hoàn toàn trở lại trong quátrình nén

Mặt khác, nhiệt độ và áp suất cao tạo ra khi nổ bong bóng sẽ dẫn tới sự tạothành các gốc tự do như là H+ và OH-

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hình thành và vỡ bóng.

Một số thông số như là tần số và biên độ của sóng siêu âm, nhiệt độ và độnhớt của môi trường ảnh hưởng đến mức độ tạo bong bóng khí Sự hình thành các lỗ hổnghay bóng khí có thể bị giới hạn ở tần số cao hơn 2,5 MHz Kích thước bong bóngkhí thu được ở tần số thấp hơn 2,5 MHz là tối đa và do đó những bong bóng khí này sẽtạo ra năng lượng lớn khi vỡ

Siêu âm với biên độ cao hơn sẽ hình thành hiện tượng sủi bong bóng vớicường độ mạnh hơn Bong bóng được hình thành nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn dotăng áp suất hơi và giảm sức căng Tuy nhiên sức căng hơi cao hơn sẽ làm yếu đicường độ nổ bong bóng

Độ nhớt của chất lỏng cũng ảnh hưởng đến hiện tượng sủi bong bóng Trongmôi trường có độ nhớt cao, sự lan truyền của các phần tử trong trường siêu âm bịcản trở và do đó làm giảm mức độ sủi bong bóng Trong trường hợp này, siêu âm

có tần số thấp hơn và năng lượng cao hơn có khả năng xuyên thấu vào thực phẩmtốt hơn là siêu âm có tần số cao hơn

Hình2.2 Quá trình hình thành, phát triển và vỡ các bọt khí

2.2 Cơ chế tác động của enzyme:

Hình 2.3 Cơ chế tác động của enzyme

Trong phản ứng có sự xúc tác của enzyme, nhờ sự tạo thành phức hợp trung gian enzyme

cơ chất mà cơ chất được hoạt hoá Khi cơ chất kết hợp vào enzyme, do kết quả của sự cực hoá,

sự chuyển dịch của các electron và sự biến dạng của các liên kết tham gia trực tiếp vào phảnứng dẫn tới làm thay đổi động năng cũng như thế năng, kết quả là làm cho phân tử cơ chất trởnên hoạt động hơn, nhờ đó tham gia phản ứng dễ hơn

Năng lượng hoạt hoá khi có xúc tác của enzyme không những nhỏ hơn rất nhiều so vớitrường hợp không có xúc tác mà cũng nhỏ hơn so với cả trường hợp có chất xúc tác thôngthường

VD: trong phản ứng phân huỷ H2O2 thành H2O và O2 nếu không có chất xúc tác thì nănglượng hoạt hoá là 11,7 Kcal/mol, còn nếu có enzyme catalase xúc tác thì năng lượng hoạt hoáchỉ còn 5,5Kcal/mol

Sự tạo thành phức hợp enzyme cơ chất và sự biến đổi phức hợp này thành sản phảm, giảiphóng enzyme tự do thường trải qua 3 giai đoạn theo sơ đồ sau:

Trong đó E là enzyme, S là cơ chất, ES là phức hợp Enzyme-cơ chất, P là sản phẩm.

- Giai đoạn thứ nhất: Enzyme kết hợp với cơ chất bằng liên kết yếu tạo thành phức hợpEnzyme-cơ chất (ES) không bền, phản ứng này xảy ra rất nhanh và cần năng lượng hoạt hoáthấp

- Giai đoạn thứ hai: xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn đến sự kéo căng và phá vỡ các liên kếtđồng hoá trị tham gia phản ứng

- Giai đoạn thứ ba: tạo thành sản phẩm, còn enzyme được giải phóng ra dưới dạng tự do.Các loại liên kết chủ yếu được tạo thành giữa E và S trong phức hợp ES là các tương tác:

- Tương tác tĩnh điện, liên kết ion, liên kết muối, cầu muối, cặp ion: Liên kết này đượctạo thành giữa nhóm tích điện của cơ chất (S) với nhóm tích điện trái dấu trong phân tửEnzyme (E)

-Liên kết Hydro: liên kết này được tạo thành theo kiểu A - H B, trong đó hydro kết hợpvới A bằng liên kết cộng hoá trị đồng thời tạo liên kết yếu với B Liên kết này được tạo thànhkhi khoảng cách giữa A và B là 3Ao

- Tương tác Vander Waals: Tương tác này yếu hơn tương tác tĩnh điện và liên kết hydro.Tương tác này thể hiện rất rõ khi nhiều nguyên tử của cơ chất có thể đồng thời tiếp cận vớinhiều nguyên tử của enzyme Nó chỉ xảy ra khi có sự ăn khớp về cấu trúc không gian giữa cơchất và enzyme

Mỗi loại liên kết đòi hỏi những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi cónước

2.3 Phạm vi ứng dụng

2.3.1 Phạm vi áp dụng của sóng siêu âm:

Siêu âm là một lĩnh vực đang được nghiên cứu và có tiềm năng phát triểntrong ngành công nghệ thực phẩm Sóng siêu âm có tần số từ 20kHz đến trên25MHz thường được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Có 2 lĩnh vực đượcứng dụng chính trong công nghệ thực phẩm:

Siêu âm tần số cao và năng lượng thấp: còn được gọi là siêu âm chuẩn đoán,trong khoảng tần số 20-60 MHz Phần này được sử dụng như một kỹ thuật phântích, không làm phá huỷ cấu trúc của mẫu, điều này được ứng dụng để xác địnhtính chất thực phẩm, đo tốc độ dòng chảy, kiểm tra bao gói thực phẩm…(Floros,J.D., 1994)

-Tần số thấp và siêu âm năng lượng cao (2MHz-10MHz): được ứng dụngrộng rãi như một quá trình hỗ trợ trong hàng loạt các lĩnh vực như: kết tinh, sấy,

bài khí, trích ly, lọc, đồng hoá, làm mềm thịt, quá trình oxi hoá, quá trình tiệttrùng… (Floros, J.D., 1994).

- Sóng siêu âm được ứng dụng trong nhủ hoá, trên các sản phẩm từ thịt, tácđộng của sóng siêu âm đến bảo quản lạnh đông thực phẩm tươi, tác động siêu âmđến sản xuất kem, tác động siêu âm đến cô đặc và sấy lạn

Ngoài ra, Sóng siêu âm cũng đã được ứng dụng để chuẩn đoán đột quỵ songchưa bao giờ được áp dụng cho việc điều trị Vài năm gần đây, các công trìnhnghiên cứu đã hướng tới việc tìm hiểu xem sóng siêu âm có thể làm tăng tác dụngcủa thuốc TPA hay không Tác dụng lâu dài của sóng siêu âm còn được chú ý hơnnhiều Sau 3 tháng, 42% bệnh nhân được điều trị bằng thuốc TPA kết hợp vớisóng siêu âm đã hoàn toàn mất hẳn các triệu chứng bại liệt hoặc có thể tự lo chobản thân Trong khi đó, chỉ có 29% bệnh nhân dùng thuốc chống đông máu hồiphục Hơn nữa, hiện tượng chảy máu trong não khi kết hợp sử dụng sóng siêu âmvới thuốc ít khi xảy ra và không nghiêm trọng hơn so với khi chỉ dùng thuốcchống đông máu

Sóng siêu âm có thể được thấy trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong giađình, chúng ta thường sử dụng sóng siêu âm để huýt sáo báo hiệu cho con chó,chuông chống trộm và sử dụng trong việc làm sạch đồ kim hoàn Trong y khoa,các bác sĩ sử dụng sóng siêu âm để loại bỏ những sạn trong thận mà không cầnphải làm phẫu thuật, chữa trị những tổn thương về sương sụn (như ở khuỷu tay),

và chụp những hình ảnh phát triển của thai nhi trong thời kỳ mang thai Trongcông nghiệp, siêu âm rất quan trọng trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm và thựcphẩm, hàn plastics, khuấy trộn, làm sạch những vật có kích cỡ lớn

Sóng siêu âm còn được ứng dụng trong các kỹ thuật làm sạch như làm sạchrau quả

2.3.2 Phạm vi áp dụng của enzyme.

Ứng dụng enzyme như các hoá chất để phân tích định lượng các chất: có thẻxác định các chất đặc biệt với hàm lượng rất thấp và bị lẫn với các chất kháctương tự với nhau mà các phương pháp hoá học khác khó có thể xác định đượcchính xác,hoặc phân tích những chất không bền dễ dàng bị phân huỷ ở nhiêt độhoặc áp suất cao,hoặc những điều kiện phản ứng khó thiết lập.

- VD: xác định cơ chất sử dụng amylase để định lượng tinh bột cho kết quảchính xác hơn khi dùng acid vì một số polysaccharide như hemicellulos enzymecũng bị thuỷ phân bởi acid ở điều kịên thường.

-Sử dụng enzyme trong công nghiệp:từ 1970 tách enzyme ra khỏi tế bào và

sử dụng trong sản xuất công nghiệp, hiện tại có ít nhất 60 enzyme đã được thươngmại hoá, đa số là các enzyme ngoại bào Ví dụ: sản xuất sữa, bánhmì, beer, côngngiệp dệt…