Enzyme và ứng dụng enzyme trong chế biến thực phẩm pptx

Enzyme- chất xúc tác sinh học• - Làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng, nhưng so với các chất xúc tác vô cơ thì enzym có tác dụng lớn hơn nhiều.. Ví dụ: nếu dùng acid xúc tác cho phả

Enzyme và ứng dụng enzyme

trong chế biến thực phẩm

Enzyme- chất xúc tác sinh học

• - Làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng, nhưng so với các chất xúc tác vô cơ thì enzym có tác dụng lớn hơn nhiều Ví dụ: nếu dùng acid xúc tác cho phản ứng thuỷ phân Saccharose thì năng lượng hoạt hoá (Ea) là 25,6 Kcal/mol, còn nếu dùng enzyme invectase thì Ea là 8 Kcal/mol

• - Enzyme không tham gia vào phản ứng, không thay đổi chiều phản ứng và có tác dụng làm tăng tốc độ của phản ứng Tốc độ phản ứng invectase xúc tác nhanh gấp 2 x 1012

so với xúc tác acid

• - Với một lượng nhỏ nhưng có tác dụng chuyển hoá một lượng lớn cơ chất Ơû enzyme hiệu quả xúc tác cao hơn nhiều

so với chất xúc tác vô cơ Ví dụ: 1g amylase trong 1 giờ cóthể chuyển hoá 100 kg tinh bột

Vai trị của chất xúc tác

B Mức

Đặc điểm của enzyme

• - Enzyme hoạt động trong cơ thể sống nên xúc tác trong điều kiện sinh lý của cơ thể, như nhiệt độ, áp suất, pH môi trường nhẹ nhàng.

• - Do có bản chất là protein nên enzyme dễ biến tính dưới các tác nhân hoá lý như nhiệt độ, hoá chất, tia bức xạ.

• - Enzyme có tính đặc hiệu cao, enzyme chỉ xúc tác cho những cơ chất nhất định, những kiểu phản ứng nhất định.

Cấu tạo của enzyme

• - Bản chất enzyme là protein

• - Enzyme một thành phần: là enzyme mà trong thành phần cấu tạo chỉ là protein đơn giản Đây là các enzyme thuộc nhóm enzyme thuỷ phân (hydrolase) Tuy nhiên các enzyme trong nhóm này thường có các ion kim loại nhưCu2+, Fe2+, Zn2+, … làm chất đồng yếu tố (cofacter)

• - Enzyme hai thành phần: là protein phức tạp, phần protein

được gọi là apoenzyme, thành phần thứ hai không phải là protein gọi là nhóm ngoại (prosthetic) hay coenzyme.

Coenzyme là các phức hữu cơ, thông thường là dẫn suất của các vitamin Khi hai thành phần kết hợp với nhau thì được

gọi là enzyme hoàn chỉnh (holoenzyme).

• -Thành phần apoenzyme có vai trò quyết định tính đặc hiệu của enzyme, làm tăng hoạt tính xúc tác Coenzyme trực tiếp tham gia xúc tác và tăng độ bền của apoenzyme với các tác nhân gây biến tính

Vitamin và chức năng của vitamin

Vitamin Chức năng

Thiamine (B1) Tiền chất của thiamine pyrophosphate (TPP) là coenzyme

của phản ứng decarboxyl hoá, thiếu B1 gây ra bệnh tê phù Riboflavine (B2) Tạo coenzyme FMN (flavin mononucleotide), FAD (flavin

dinucleotide), là các coenzyme vận chuyển e - của enzyme oxy hoá khử dehydrogenase.

Panthothenic acid

(B3)

Tiền chất của coenzyme A của các enzyme trong trao đổi lipid, carbohydrate.

Nicotinic acid (B5) Tạo coenzyme NAD (nicotinamide adenin dinucleotide),

NADP là coenzyme của các enzyme oxy hoá dehydrogenase.

Piridoxine (B6) Là tiền chất pyridoxal phosphate, là coenzyme có vai trò

trong các phản ứng vận chuyển amine và dehydrate hoá trong trao đổi axit amin.

Biotin Là tiền chất của coenzyme biocyne

Folic acid Vận chuyển carbon trong trao đổi axit amin và axit amin

Trung tâm hoạt động của enzyme

• - Trung tâm hoạt động là phần của phân

tử enzyme trực tiếp kết hợp với cơ chất,

tạo thành và chuyển hoá phức chất trung

gian giữa enzyme và cơ chất

• - Trung tâm hoạt động bao gồm nhiều

nhóm chức năng của axit amin,

coenzyme, ion kim loại, phân tử nước

liên kết Các nhóm chức năng của axit

amin (functional groups) thường gặp

trong trung tâm hoạt động là –SH của

Cysteine, -NH2 của lysine, -COOH của

aspartic acid, glutamic acid, nhóm –OH

của Serine, treonine, vòng imidazol của

histidine, …

• - Trong trung tâm hoạt động của enzyme

thường có từ 3-7 nhóm chức năng Trung

tâm hoạt động của enzyme hai thành

phần bao gồm một số nhóm chức năng

của axit amin, nhóm chức năng của

coenzyme và một số trường hợp còn có

cả ion kim loại.

• - Nhóm xúc tác: là nhóm trực tiếp tham gia phản ứng kết hợp với cơ chất bị chuyển hoá và coenzyme.

• - Nhóm tiếp xúc: Kết hợp với phần cơ chất không bị chuyển hoá, có tác dụng cố định cơ chất.

• - Nhóm bổ trợ: là nhóm tương tác với nhóm tiếp xúc và xúc tác, cố dịnh các nhóm này ở vị trí nhất định để thực hiện chức năng xúc tác.

Cơ chế xúc tác

• S + E 1 ES 2 ES* 3 EP 4 E + P

S (subtrate): cơ chất E: Enzyme; ES: Phức chất enzyme-cơ chất

P (product): sản phẩm;

EP: Phức chất enzyme- sản phẩm.

S*: Cơ chất hoạt hóa

Cơ chế hoạt động của enzyme

• - Giai đoạn 1: Cơ chất sẽ kết hợp vào trung tâm hoạt động của enzyme, tạo thành phức chất enzyme - cơ chất

• - Giai đoạn 2: Khi gắn vào trung tâm hoạt động, cơ chất sẽ hình thành các liên kết với các nhóm chức năng vàcoenzyme (enzyme hai thành phần), các liên kết này sẽ kéo căng liên kết cần chuyển hoá của cơ chất, khi đó cơ chất trởthành dạng hoạt hoá (S*)

• - Giai đoạn 3: Khi trở thành dạng hoạt hoá, cùng với sự biến đổi cấu trúc không gian của phần apoenzyme làm đứt liên kết cần chuyển hoá của cơ chất để tạo thành sản phẩm P Với enzyme hai thành phần thì thành phần coenzyme có vai trò chủ đạo trong chuyển hoá S* thành sản phẩm P

• - Giai đoạn 4: Sản phẩm P sẽ giải phóng khỏi trung tâm hoạt động của enzyme Enzyme trở thành trạng thái tự do và tiếp tục gắn với một cơ chất mới để chuyển hoá

Cơ chê hoạt động của enzyme

• CÁC Y ẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT

TÍNH XÚC TÁC CỦA ENZYME

Ảnh hưởng của nồng độ enzyme

V = k [E]

- V: vận tốc của phản ứng

- k: hệ số phụ thuộc

- [E]: nồng độ enzyme

Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất

Ảnh hưởng của pH

Ảnh hưởng của nhiẹt độ

Ảnh hưởng của chất hoạt hóa

• Những chất có tác dụng làm tăng vận tốc của phản ứng gọi là chất hoạt hóa Thông thường là các ion kim loại nằm trong trung tâm hoạt động của enzyme.

- Cl-: enzyme Amylase

- Zn2+: Peptidase

- Mg2+: ADN polymease

+ Ức chế cạnh tranh

HOOC – CH2 – CH2 – COOH HOOC – CH2 – COOH

Phân loại enzyme

1 Oxidoreductase (enzyme oxy hoá khử)

2 Transferase (enzyme vận chuyển)

3 Hydrolase (enzyme thủy phân)

4 Lyase (enzyme phân cắt)

5 Isomease (enzyme đồng phân hóa)

6 Synthease (enzyme tổng hợp)

Phân loại enzyme

Các Oxidoreducrase chia làm hai nhóm: Dehydrogenase hiếu khí (có oxy) và Dehydrogenase yếm khí (khử hydro).

+ Dehydrogenase hiếu khí (Oxidase)

• CH3 – CHO + H2O + O2 Aldehyde Oxidase CH3 – COOH + H2O2

• Aldehyde axit acetic

+ Dehydrogenase yếm khí

• Đây là các enzyme hai thành phần, coenzyme thường là NAD, FAD, NADP, các coenzyme này là chất nhận hydro

HOOC-CH2- CH2 -COOH Succinate dehydrogenase HOOC-CH=CH-COOH

Axit succinic FAD FADH2 Axit Fumaric

• + Peptidehydrolase: là enzyme xúc tác cho phản ứng thuỷ phân liên kết peptide

• + Glycoside hydrolase (Glucosidase) : là các enzyme thuỷ phân liên

kết glycoside Trong hạt nảy mầm, trong hệ tiêu hóa hoặc vi sinh vật có hệ enzyme amylase để thủy phân tinh bột.

• Tinh bột + H2O Amylases Glucose + Dextrin

• + Ester hydrolase (esterase): là các enzyme thuỷ phân liên kết

ester, như lipase là enzyme thuỷ phân liên kết ester của lipid.

• + Phosphatase: là enzyme thuỷ phân liên kết ester của gốc

phosphate với đường.

Fructose 1,6-diphosphate Phosphatase Fructose -6-phosphate + H3PO4

• Là các enzyme xúc tác cho phản ứng phân cắt liên kết C –

C, C – N, C – S, C – O Khác với nhóm hydrolase là các enzyme này phân cắt liên kết nhưng không cần có sự tham gia của nước

• là enzyme xúc tác cho phản ứng loại CO2 ra khỏi cơ chất

• CH3 – CO – COOH Pyruvatedecarboxylase CH3 – CHO + CO2

• là các enzyme xúc tác cho phản ứng phân cắt đường thành

2 phân tử đường ngắn hơn

Frutose 1,6 –diphosphate Aldolase Aldehyde 3-P-Glyceric + Dihydroxyaceton-phosphate

là các enzyme chuyển nhóm nội phân tử, ví dụ:

Phosphoglycerate-phosphomutase xúc tác cho phản ứng:

Nguồn thu nhận enzyme

• - Thực vật: urease từ hạt đậu tương, amylase từ hạt ngũ cốc nảy mầm, lipase từ hạt thầu dầu, bromelain từ trái thơm, papain từ nhựa đu đủ,

ficin từ nhựa sung, …

• - Động vật: tách ra từ mô, tạng của động vật như pepsin từ dạ dày, enzyme trypsin,

chymotrypsin từ tụy tạng, …

• - Vi sinh vật: từ các chủng vi khuẩn như

Bacillus, Clostridium, nấm Aspergillus, Penicillum, Trichoderma, xạ khuẩn Streptomyces Trong cơ

thể vi sinh vật 80 - 90% protein của tế bào là

enzyme

Môi trường nuôi cấy VSV

Môi trường nuôi cấy chìm

Sản phẩm kỹ thuật

Kết tủa Cồn, aceton hoặc sulphat amon

Ứng dụng của enzyme

• - Trong công nghiệp: công nghiệp hóa chất, công nghiệp tẩy rửa (Lipase, cellulase), công nghiệp thuộc da, công nghiệp dệt, xử lý môi trường.

• - Trong chế biến thực phẩm: chế biến rau quả, chế biến thịt, sữa, chế biến tinh bột, bánh kẹo, nước giải khát, bia rượu.

• - Y dược học: chữa bệnh, trợ tiêu hoá (Pepsin, Trypsin, amylase), sản xuất dược phẩm (Urease tăng miễn dịch, chống viêm loét dạ dày), phân tích lâm sàng (Urease phân tích urea trong máu, nước tiểu, glucooxidase phân tich glucose trong máu), chẩn đoán bệnh, …

• - Nông nghiệp: -phòng trừ sâu bệnh (chitinase trừ sâu và bệnh), bổ sung thức ăn chăn nuôi để tăng hiệu suất hấp thu, năng suất vật nuôi.

Đơn vị hoạt tính của enzyme thực phẩm

• - Đơn vị MWU (Modified Wohlgemuth Unit): được xác định là lượng enzyme cần thiết để chuyển hóa 1 mg tinh bột tan thành dextrin trong thời gian 30 phút trong điều kiện thí nghiệm.

• - Đơn vị SKB: là đơn vị hoạt tính được xác định theo phương pháp của Sandstedt, Kneen và Blish được xác định là lượng enzyme cần thiết để dextrin hóa hoàn toàn 1g - dextrin thành kích thước xác định trong thời gian 1 giờ dưới điều kiện thí nghiệm.

• - Đơn vị GAU (Glucoamylase Unit): là lượng enzyme cần thiết để giải phóng 1 g đường khử (reducing sugar) trong 1 giờ dưới điều kiện thí nghiệm.

• - Đơn vị DU (Dextrinogene Unit): Là lượng enzyme cần thiết để chuyển hóa 1 pound tinh bột thành dextrose trong điều kiện thí nghiệm

• - Đơn vị NU (Northrop Unit): là lượng enzyme cần thiết để thủy phân 40% cơ chất casein trong điều kiện thí nghiệm.

Ưu điểm của enzyme vi sinh vật

- Chủ động về nguồn nguyên liệu, VSV lànguồn nguyên liệu vơ tận để sản xuất enzyme để đáp ứng sản xuất cơng nghiệp

• - Chu kỳ sinh trưởng ngắn, sinh khối tế bào lớn trong một thời gian ngắn Tỷ lệ enzyme cao (80-90% protein của tế bào)

• - Có thể điều khiển tổng hợp thừa enzyme dễ dàng

• - Nguyên liệu rẻ, giá thành enzyme thấp

- Hoạt tính enzyme VSV rất mạnh, vượt xa các enzyme từ nguồn thực vật và động vật

•

Sinh tổng hợp enzyme vi sinh vật

+ Quá trình tổng hợp protein cũng chia làm ba giai đoạn:

- Giai đoạn khởi đầu

- Giai đoạn kéo dài

- Giai đoạn kết thúc

+ Trước khi bước vào giai đoạn khởi đầu các axit amin sẽ được gắn vào các tRNA để vận chuyển quá trình này được xúc tác bởi enzyme

aminoacyl-tRNA-synthetase

Axit amin + tRNA + ATP Aminoacyl-tRNA + AMP + PP.

Giai đoạn khởi đầu

Điều hòa sinh tổng hợp enzyme

• Cơ chế điều hòa bằng cảm ứng cơ chất

• Cơ chế điều hòa kìm hãm ngược (feed back)

• Một số ENZYME Ứng dụng trong CNTP

• Amylase là các enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân tinh bột Amylase rất phổ biến trong tự nhiên và được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm.

• Tinh bột -amylase Dextrin

• Dextrin  - amylase Maltose

• Dextrin Amyloglucosidase Glucose

• Các enzyme amylase chia thành 2 nhóm:

• - Endoamylases: - amylase (EC 3.2.1.1) và -1,4-glucano

hydrolase là các enzyme thuộc nhóm endonuclease, chúng là các enzyme amylase dịch hóa (liquefying) và dextrin hoá

(dextrinogenic) tinh bột.

• - Exoamylases là các enzyme đường hóa (saccharifying)

-amylase (E.C 3.2.1.2) tấn công tinh bột hồ hóa (gelatinized

starch) và dextrin để giải phóng maltose Enzyme glucoamylase (E.C.3.2.1.3) thủy phân liên kết glycoside, giải phóng glucose từ đầu không khử của tinh bột hoặc dextrin.

Hoạt động của Amylase

- Amylase

dụng enzyme sản xuất từ tuyến tụy hoặc từ môi trường nuôi cấy (culture) vi sinh vật Các amylase có xuất xứ khác nhau có pH tối thích, nhiệt độ tối thích, sự ổn định hoạt tính với nhiệt khác nhau.

• - - Amylase của vi khuẩn thường được sử dụng ở dạng lỏng hoặc dạng bột Các sản phẩm này thường chứa cả các enzyme khác như proteinase

và glucanase - Amylase của vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens có hoạt

tính riêng (specific activity) rất cao, 500.000 SKB/g protein - Amylase của

vi khuẩn chia làm hai loại là loại thường (standard) và loại chịu nhiệt Loại

amyloliquefecians Nhiệt độ tối thích của 2 loại - Amylase này là 70-850C

Loại - Amylase chịu nhiệt có nguồn gốc từ Bacillus licheniformis, nhiệt độ

tối thích là 95-105 oC.

oryzae - Amylase của nấm có khả năng chịu nhiệt kém hơn - Amylase

của vi khuẩn, chúng bị bất hoạt ở nhiệt độ trước khi tinh bột bị hồ hóa Vì vậy, - Amylase của nấm thường chỉ được sử dụng trong công nghiệp chế biến bánh mì, bánh biscut.

Bảng : Các loại Endoamylases

70 – 85 (95)

- Amylase của

nấm

Aspergillus oryzae

Aspergillus niger

4.0 – 7.0 (5.0 – 6.0)

55 – 60 (80)

- Amylase Malt Malt lúa mạch

Malt lúa mì

3.5 – 7.5 (4.5 – 7.0)

60 – 70 (85)

 - Amylase

• - Amylase (E.C 3.2.1.2) có mặt trong hạt ngũ cốc, đậu nành, khoai lang (sweet potato) thủy phân tinh bột amylose giải phóng đường maltose từ đầu không khử Đối với tinh bột amylopectin quá trình thủy phân này sẽ dừng lại cách vị trí phân nhánh 2-3 gốc glucose - Amylase có nhiệt độ tối thích khoảng 550C, pH: 5.1 – 5.5 - amylase thường được sử dụng trong sản xuất cồn, bia thay thế cho việc sử dụng Malt.

• -Glucoamylase (E.C 3.2.1.3) còn gọi là amyloglucosidase, thuộc nhóm exoamylase Glucoamylase tấn công chuỗi tinh bột giải phóng glucose từ đầu không khử Nhiệt độ tối thích và pH tối thích của glucoamylase phụ thuộc vào nguồn thu nhận enzyme này Về mặt lý thuyết enzyme này có hiệu suất thủy phân tinh bột 100% Hầu hết glucoamylase công nghiệp ở dạng lỏng và được ổn định với NaCl hoặc glycerol.

Bảng: Các loại Glucoamylase

Nguồn thu nhận Khoảng pH

Aspergillus awamori 2.0 – 7.0

(3.0 – 7.0)

55 – 65 (85)

Rhizopus niveus 3.0 – 6.0

(3.0 – 5.5)

55 – 60 (70 – 80)

• + Cellulase là một phức hợp enzyme tham gia vào phân hủy cellulose tự nhiên hoặc dẫn suất cellulose thành glucose Có 3 loại enzyme cellulase là:

• - Exocellulase hoặc exobiohydrolase (E.C 3.2.1 91): xúc tác cho phản ứng thuỷ phân cellulose thành các cellobiose từ đầu không khử Nguồn thu nhận

exobiohydrolase chủ yếu từ nấm Trichoderma và Aspergillus.

• - Endocellulase hoặc endoglucanase (E C 3.2.1.4): là enzyme được tổng hợp trong nhiều loại

nấm như Aspergillus, Trichoderma, Penicillium và vi

khuẩn Khối lượng phân tử của chúng từ 12 000 – 50

000

• - - glucosidase hoặc cellobiase (E.C 3.2.1.21): thủy phân cellobiose và cellodextrin thành glucose Enzyme này không có khả năng tấn công cellulose và cellodextrin có khối lượng lớn.

• Bước 1 của quá trình phân hủy cellulose là sựthủy phân những vùng vô định hình (amorphous regions) trên vi sợi cellulose bởi enzyme endoglucanase Sau khi các đầu cuối tự do của sợi cellulose lộ ra sẽ là cơ chất của enzyme exobiohydrolase Enzyme này sẽ giải phóng cellobiose từ đầu không khử của chuỗi polysaccharide Cuối cùng enzyme cellobiase sẽ thuỷphân cellobiose thành glucose

• Các enzyme cellulase của nấm Trichoderma reseei hoạt động trong khoảng pH 3-7, nhiệt độ tối

thích là 400C Cellulase của nấm Aspergillus niger hoạt động trong khoảng pH= 4-6 và của Penicilium là

pH= 5-8