Biến tính tinh bôt bằng tác nhân enzime

Vì vậy cần phải cải biến tinh bột, tức là làm thay đổi cấu trúc,tính chất của tinh bột bằng các tác nhân vật lí, hoá học hoặc enzymemen,enzim để tạo ra các dẫn xuất tinh bột với các phân

LỜI MỞ ĐẦU

Tinh bột đã được biết đến từ hàng nghìn năm Người La Mã gọi là amilum, một từbắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, amilon Tinh bột đầu tiên được tách ra từ bột mỳ hoặc mộtloại ngũ cốc khác đã được biết đến từ thời xa xưa Thời gian sau nó được sản xuất từkhoai tây ở Châu Âu và Nhật Bản, từ củ sắn và lúa gạo ở phương Đông và từ ngô ở Mỹ.Tinh bột là nguồn cacbohiđrat dự trữ của thực vật vì vậy nó được tìm thấy phổ biến trong

tự nhiên

Tinh bột là một trong những nguyên liệu quan trọng cho nhiều nghành công nghiệpnhư công nghiệp giấy, công nghiệp thực phẩm , công nghiệp dệt, công nghiệp keo dán vìnhững tính chất đặc trưng của nó như tạo hình, tạo dáng, tạo khung, tạo độ dẻo, độ dai,

độ đàn hồi, độ xốp có khả năng tạo gel, tạo màng cho nhiều sản phẩm Tuy nhiên tinhbột tự nhiên vẫn còn hạn chế nhiều tính chất, chưa đáp ứng được những yêu cầu khácnhau trong công nghiệp Vì vậy cần phải cải biến tinh bột, tức là làm thay đổi cấu trúc,tính chất của tinh bột bằng các tác nhân vật lí, hoá học hoặc enzyme(men,enzim) để tạo

ra các dẫn xuất tinh bột với các phân tử bị cắt ngắn đi, nối dài ra và sắp xếp lại, hoặc cácdẫn xuất tinh của tinh bột với các nhóm chức rượu bậc nhất trong phân tử, bị oxi hoá đếnnhóm cacboxyl hoặc những dẫn xuất tinh bột với phân tử được gắn nhóm chức hoá họckhác nhau Khi đã có cấu trúc hoá học thay đổi thì tinh bột dẫn xuất cũng sẽ thu đượcnhững tính chất mới khác tinh bột ban đầu Nhờ vậy nâng cao được lĩnh vực ứng dụng

và từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng và hiệu quả kinh tế Hiện nay, các sản phẩm tinh bộtbiến tính nghiên cứu ở nước ta rất đa dạng và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệpthực phẩm và các nghành công nghiệp khác Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều chỉdừng ở mức phòng thí nghiệm Các sản phẩm tinh bột biến tính được sản xuất với qui

mô công nghiệp trong nước hầu như chưa có Tinh bột biến tính sử dụng trong côngnghiệp hiện tại phải nhập ngoại với giá thành rất cao Chính vì vậy, nhóm sinh viên củalớp NCTP4B thuộc viện CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM Trường ĐH

CÔNG NGHÊP TP HCM chọn đề tài ‘Nghiên cứu biến tính tinh bột bằng tác nhân

enzyme’.

Nhiệm vụ của đề tài giải quyết các vấn đề sau

1 Nguồn gốc của tinh bột

2 Cấu tạo của tinh bột

3 Nghiên cứu biến tính tinh bột, biến tính tinh bột bằng tác nhân enzyme.

4 Nghiên cứu sự thay đổi của tinh bột sau khi biến tính bằng tác nhân enzyme.

5 Ứng dụng của phương pháp biến tính tinh bột bằng tác nhân enzyme.

1 Nguồn gốc của tinh bột

Tinh bột hay chất bột, có nhiều trong các hạt ngũ cốc (lúa, nếp, bắp, đậu, kê), cũngnhư các củ, khoai, hạt hay trái thực vật khác, như củ lang (khoai lang), củ mì (khoai mì,sắn), củ từ (khoai từ), củ lăng (khoai mỡ, Dioscorea alata L.), củ khoai (khoai môn, khoai

sọ, Colocasia esculenta L.), củ ấu, củ năng, khoai tây, mình tinh (huỳnh tinh, Marantaarundinacea L.), chuối (chưa chín), hạt mít, trái mít (chưa chín), sakê,

2 Cấu tạo của tinh bột

Hình 1d: Ngô

các monosaccaride là các glucose (glucoz, glucose) liên kết với nhau bằng liên kết 1,4- glucoside và α-1,6- glucoside (glicosidic, glycoside, glicozit,) mà thành.

α-Tinh bột coi là một polime (polimer), gồm các monome (monomer) là chất glucosetrùng ngưng mà thành Công thức kiểu công thức phân tử của tinh bột là (C6H10O5)n (n từ

1 000 đến 6 000) Tinh bột được các thực vật tạo ra do sự quang hợp: [6]

Có thể coi phản ứng trên là gộp của hai phản ứng: CO2 và nước do sự quang hợp tạoGlucose trước, sau đó Các phân tử Glucose trùng ngưng tạo tinh bột

 Công thức cấu tạo của tinh bột có hai dạng: dạng amylose (amylozơ, amylose,amyloza) chiếm khoảng 10-30% khối lượng tinh bột và dạng amylopectine(amylopectine, amylosepectin) chiếm khoảng 70-90% khối lượng tinh bột

2.1.1 Dạng amylose:

Do các α-glucose (glucoz, glucose, gluco, glucoza, Dextrose, Đường nho) liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4- glucoside , nghĩa là nhóm –OH ở C số 1 của vòng α-glucose

này kết hợp với nhóm –OH của C số 4 của vòng α-glucose kia và loại ra một phân tử

H2O, và liên kết hai vòng α-glucose bằng liên kết ete (-O-)

Các liên kết α(1→4) tạo nên cấu trúc xoắn ốc số đơn vị glucose thường trong khoảng

từ 300 đến 3000, thông thường là hàng nghìn Mỗi vòng xoắn ốc chứa sáu monomeglucose Do đó dạng amylose của tinh bột có cấu tạo mạch thẳng

Các phân tử iôt chiếm gọn các vòng xoắn ốc trong cấu trúc amylose, do đó làm thayđổi sự hấp thụ màu của tinh bột Vì vậy, có thể nhận biết amylose trong tinh bột bằngcách pha một lượng nhỏ dung dịch iôt màu vàng Nếu tinh bột chứa amylose thì sẽ quansát được màu xanh thẫm Cường độ màu có thể đo bằng dụng cụ đo màu (colorimeter).Amylose tan được trong nước [2]

glucoside glucoside Dạng amylose của tinh bột

2.1.2.Dạng amylopectine:

Dạng này do các α-glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4- glucoside và

α-1,6-glucoside Do đó dạng amylopectine có mạch Cacbon phân nhánh Và vì dạng

amylopectine chiếm đa số, nên tinh bột có dạng hạt

Amylopectine có nhiều nhánh, có thể chứa tới 2.000 đến 200.000 đơn vị glucose Mỗichuỗi nhỏ của nó chứa từ 20 đến 24 đơn vị glucose

Amylopectine không tan trong nước. [2]

Glucoside glucoside Amilopectine của tinh bột

glucoside

2.2 cấu trúc tinh thể của tinh bột

• hạt tinh bột có dạng hình tròn hình bầu dục hay hình đa giác

• hạt tinh bột khoai tây có kích thước lớn nhất còn hạt tinh bột gạo có kích thước bénhất

• trong cùng một loại tinh bột hình dáng và kích thước của các hạt tinh bột khônggiống nhau

⇒ kich thước hạt khác nhau dẫn đến tính chất cơ lí như nhiêt độ hồ hóa, khả nănghấp thụ xanh metylen [8]

3 Biến tính tinh bột, biến tính tinh bột bằng tác nhân enzyme

Trong thực tế sản xuất, ứng với mỗi sản phẩm thực phẩm thường đòi hỏi một dạng tinhbột hoặc một dẫn xuất tinh bột nhất định như: Tinh bột phải có độ hòa tan tốt, giàuamilose, amilopectine, tính bền vv

⇒ Để có đựơc những sản phẩm tinh bột phù hợp người ta phải biến tính tinh bột

3.1 Biến tính tinh bột

3.1.1 Mục đích của biến tính tinh bột

 Tạo mặt hàng mới

 Tăng giá trị cảm quan

 Cải biến các tính chất của sản phẩm

3.1.2 Các phương pháp biến tính tinh bột

∗ Phương pháp biến tính vật lý

∗ Phương pháp biến tính hóa học

∗ Phương pháp biến tính enzyme

3.2 Biến tính tinh bột bằng tác nhân enzyme

Phương pháp thủy phân bằng enzyme: là phương pháp biến tính tinh bột tiên tiến hiệnnay, cho sản phẩm tinh bột biến tính chọn lọc không bị lẫn những hóa chất khác

Nguyên liệu bao gồm: tinh bột, H2O, enzyme, nhiêt độ, pH thích hợp CaCl2, CaSO4,nhằm mục đích cung cấp Ca2+[1]

3.2.1 Việc sử dụng các enzyme trong thủy phân tinh bột:

Sự thủy phân tinh bột cần hiện diện chất xúc tác thích hợp là các enzyme.

Sự thủy phân glucose trải qua các giai đoạn tạo dextrin (cũng là các polysaccarit,nhưng khối lượng phân tử nhỏ hơn so với tinh bột) , maltose, và cuối cùng là tạoglucose

Sự thủy phân trên trải qua các giai đoạn sau:

B licheniformis

Chỉ liên kết α-1,4 Oligosaccharide đượctách ra để cho α-dextrins và chủ yếumaltose, G3, G4 và G5 oligosaccharides

Aspergillus oryzae , A giê

Ni-Chỉ liên kết α-1,4 Oligosaccharide đượctách ra để cho α-dextrins và chủ yếumaltose và G3 oligosaccharides

dextrins giới hạn và β-maltose

Glucoamylase A niger Liên kết α-1,4 và α-1,6 được tách ra, để

cho α-glucosePullulanase B acidopullulyticus Chỉ liên kết α-1,6 được tách ra để cung

cấp cho maltodextrins mạch thẳng

nC6H12O6 glucose

Enzyme amylase (amilaza) có 3 loại là α-amylase, β-amylase và γ-amylase Cả 3 loạienzyme này đều có vai trò là thủy phân tinh bột, phân cắt liên kết α-1,4- glucoside, tuynhiên mỗi loại enzyme đều có điểm khác biệt khi thủy phân tinh bột.

α-amylase nó phân cắt các liên kết ở phía trong của phân tử tinh bôt (amylose hayamylopectine) tạo thành dextrin và các oligosaccharide

β-amylase thì cắt tinh bột tạo thành sản phẩm là đường đôi, đó là đường maltose (gồmgốc glucose)

γ-amylase thì cắt tinh bột tạo thành sản phẩm là đường đơn glucose

Trong hai thành phần của tinh bột, Amylopectine biểu thị những thách thức lớn chocác hệ thống enzyme hydrolytic Điều này là do có nhánh α-1,6 chiếm khoảng 4-6% củaglucose Hầu hết các enzyme hydrolytic được dùng cho α-1,4- glucoside Liên kết α-1,6-glucoside cũng phải được tách ra để thủy phân hoàn toàn Amylopectine thành glucose.Một số các thử nghiệm gần đây ấn tượng nhất trong sự phát triển của các enzyme mới

có liên quan tới enzyme cắt mạch nhánh Cần thiết để thuỷ phân tinh bột trong nhiều quytrình, nhưng gồm hai quy trinh cơ bản:

Quy trình 1, trong đó tinh bột thuỷ phân được thực hiện bởi vi sinh vật hoặc con

người

Quy trình 2, cần thiết để loại bỏ tinh bột.

Trong quy trình 1, như sản xuất sirô glucose, tinh bột thường là thành phần chính củahỗn hợp phản ứng, trong khi ở các quy trình 2, chẳng hạn như chế biến nước trái cây,một lượng nhỏ tinh bột làm ô nhiễm vật liệu được loại bỏ Enzyme các loại được sửdụng trong những quá trình này Mặc dù tinh bột từ nhiều loại thực vật có thể được sửdụng, ngô là nguồn phong phú nhất trên thế giới và được cung cấp phần lớn để chuẩn bị

Gel hoá, liên quan đến việc hoà tan các hạt tinh bột để tạo thành dạng huyền phù

3.2.3 Các giai đoạn được tiến hành theo quy trình sau:

Trước khi tiến hành đường hoá phải tiến hành quá trình hồ hoá :

Hồ hóa:

Là giai đoạn làm trương nở và phá vỡ các hạt bột trong nước khi hỗn dịch tinh bột bịđun nóng ( 60-850C ) thì tinh bột sẽ bị hồ hóa và được gọi là hồ tinh bột Dưới tác dụngcủa enzyme amylase, tinh bột bị thủy phân do các liên kết glucoside bị phân cắt Sự thủyphân tinh bột bởi enzyme amylase xảy ra theo 2 mức độ: Dịch hóa và đường hóa Kếtquả của sự dịch hóa là tạo ra sản phẩm trung gian dextrin và khi dextrin tiếp tục bị đườnghóa thì sản phẩm là maltose và glucose

Nhiệt độ hồ hoá phụ thuộc vào tinh bột của các loại hạt và kích thước hạt tinh bột củachúng

Nhiệt độ hồ hoá tối ưu của các hạt đại mạch từ 58 ÷ 62oC

Nhiệt độ hồ hoá tối ưu của gạo là 80 ÷ 82oC

Sau khi hồ hoá, các phần tử tinh bột sẽ liên kết yếu với nhau hoặc không liên kết vớinhau nữa tạo điều kiện để các enzyme có trong dịch tấn công trực tiếp vào tinh bột, do

đó rút ngắn được thời gian đường hoá

Đường hoá

Là quá trình phân cắt Amylose, Amylopeptin và Dextrin bậc cao thành các đường đơngiản và Dextrin bậc thấp tạo điều kiện thuận lợi để chúng hoà tan vào nước tạo thànhdịch đường Quá trình này được thực hiện nhờ nhóm Enzim Amylase như: α-Amylase,

β-Amylase và Amylophosphatase

α-Amylase tác động lên mạch Amylose và Amylopeptin của tinh bột và bẻ gãy mắtliên kết α-1,4-glucoside sản phẩm cuối cùng của quá trình này chủ yếu là Dextrin, mộtlượng glucose và maltose

β-Amylase cắt liên kết α-1,6- glucoside trên hai mạch amylose và amilopeptine để tạothành sản phẩm là maltose

Ngoài ra hai enzyme này có thể đồng thời tác động trên toàn mạch amylose và mạchnhánh của amylopeptine để tạo thành đường maltose

Amylophosphatase tham gia vào quá trình thủy phân tinh bột với chức năng làm choquá trình hồ hoá dễ hơn, phân cắt phân tử acid phosphoric ra khỏi mạch amylopeptine.Kết quả quá trình này là khoảng 60% maltose được tạo ra cùng với các loại đườngkhác như: Fructose – Glucose – Sacarose

Quá trình đường hoá phụ thuộc vào: nhiệt độ, pH, hàm lượng tinh bột, hoạt độ vànồng độ enzyme

Cường độ quá trình đường hoá phụ thuộc nhiều vào hàm lượng, hoạt tính của enzyme

và điều kiện xảy ra quá trình Bằng cách điều chỉnh khối lượng enzyme, nhiệt độ, pH, ta

có thể tạo ưu thế cho sự hoạt động của enzyme này hay enzyme khác Cùng với cáchnày, ta có thể tạo sự thủy phân đến cùng hoặc thủy phân cục bộ các chất riêng biệt Qua

đó có thể điều chỉnh được tương quan tỷ lệ giưa các thành phần trong sản phẩm dịch lênmen Hợp phần của các chất chiết có tính chất khác nhau nên khi chúng có sự thay đổi vềtương quan khối lượng sẽ làm thay đổi chất lượng của dịch đường (dịch lên men)

Trong sản xuất dịch lên men, người ta rất quan tâm đến tỷ lệ giữa maltose và dextrin.

Mỗi loại enzyme đều có vùng nhiệt độ tối ưu riêng Nhiệt độ thủy phân là yếu tốquyết định cường độ và chiều hướng của quá trình đường hoá bởi enzyme để địnhhướng quá trình đường hoá cách tốt nhất và để thực hiện là điều chỉnh nhiệt độ đểđiều hoà các phản ứng Điều chỉnh tỷ lệ các thành phần của dịch đường bằng cáchđiều chỉnh nhiêt độ của dịch cháo sao cho phù hợp với nhiệt độ tối ưu của từngenzyme và duy trì ở nhiệt dộ đó một thời gian thích hợp thì các hợp chất mớiđược phân cắt một cách triệt để Nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của α-amylase là

72oC và của β-amylase là 63oC và Amylophosphatase là 68oC Đường hoá ở 60 ÷

63oC là tạo ưu thế cho việc hình thành Maltose còn đường hoá ở 70 ÷ 75oC ưu thếtạo thành dextrin

Maltose/Dextrin

60,15

19,9821,3723,6225,8429,3530,3831,7834,2637,32

39,85

0,2240,2720,3100,3500,4150,4370,4650,5210,595

0,662

4,463,673,272,872,412,292,151,921,68

1,51

Qua đó ta thấy vùng nhiêt độ tối ưu cho các enzyme Amylase từ 63 ÷ 67oC Tuy nhiênđiều này còn phụ thuộc vào pH của môi trường

3.2.4 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất đường hoá

pH có ảnh hưởng nhiều đến các phản ứng enzyme vì nồng độ ion [H+] có ảng hưởngđến độ bền của protein của các enzyme Đa số các Enzim bền trong giới hạn pH = 5 - 9.Song độ bền của enzyme có thể tăng lên khi có mặt của cơ chất Coenzyme hoặc Ca2+.Các enzyme khác nhau thì có pH tối ưu khác nhau

Đối với α-amylase, điều kiện pH tối ưu là 5,5 - 5,7 còn β-amylase là 4,9 - 5,1 còn cácAmylophosphatase là 5,5 - 5,7 pH tối ưu chung cho cả nhóm Amylase là 5,4 - 5,6 NếupH<3 hoặc cao hơn 8 thì enzyme bị tê liệt đến vô hoạt

pH tối ưu của amylase phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất là nhiệt độ Khităng nhiệt độ của dịch cháo thì pH của enzyme cũng tăng theo

Khi hạ pH của dịch đường xuống mức độ nhất định nào đó thì có lợi cho quá trìnhđường hoá Hiệu suất đường hoá tăng lên và rút ngắn thời gian đường hoá

hoá (phút) Hiệu suất đường hoá

6,4 6,0 5,6 5,3

25201515

76,8878,0278,3078,88

4,2 – 4,44,6 – 4,84,8 – 5,25,4 – 5,6

4,3 – 4,64,6 – 4,85,1 – 5,35,5 – 5,7

4,8 4,52

40

> 90

79,06Rất khó lọc dịch đườngNgoài nhiệt độ và pH, quá trình đường hoá còn phụ thuộc vào nồng độ cơ chất cũng nhưchất lượng dịch sau khi đường hoá. [7]

Tinhbột là

carbohydrate dự trữ phổ biến nhất trong thực vật Tinh bột được sử dụng bởi chính thựcvật, bởi vi khuẩn và các sinh vật bậc cao hơn vì có các enzyme đa dạng có thể xúc tác

thủy phân tinh bột Tinh bột từ tất cả các nguồn thực vật thường ở dạng hạt Các loại hạtkhác biệt rõ rệt về kích thước và các tính chất vật lý Những khác biệt về mặt hoá học làkhông rõ nét Sự khác biệt chính là tỷ lệ amylose và Amylopectine; ví dụ như tinh bộtngô từ ngô sáp chỉ chứa 2% amylose nhưng từ ngô vàng là khoảng 80% amylose Một sốtinh bột, ví dụ khoai tây, có chứa một lượng nhỏ phosphat (khoảng 0,2%), có tác dụngđáng kể đến tính chất vật lý của tinh bột, nhưng không can thiệp vào sự thủy phân.

Sự thủy phân tinh bột bằng acid đã được sử dụng rộng rãi trong quá khứ Nhưng hiệnnay được thay thế bằng các quá trình enzyme Vì sử dụng acid đòi hỏi các vật liệu chống

ăn mòn, tăng độ màu và hàm lượng muối trong sản phẩm (sau khi trung hòa), cần nhiềunăng lượng để nâng nhiệt độ phản ứng và tương đối khó kiểm soát

4 Sự thay đổi của tinh bột sau khi biến tính bằng tác nhân enzyme

Biến tính bằng enzyme có thể làm thay đổi trọng lượng phân tử của tinh bột do tácdụng làm thoái biến Tuy nhiên, có một enzyme không làm thay đổi trọng lượng phân tửcủa tinh bột, duy trì những tính chất vốn có đối với trọng lượng phân tử cao là loạienzyme mà tạo được liên kết của amylose với amylopectine để tạo ra một siêuamylopectine (super amylopectine).đó là enzyme amylomaltase trong chủng vi khuẩn

chịu nhiệt, là thermus thermophius enzyme này sau đó được tinh chế và xác định các

đặc tính trước khi sử dụng Enzyme amylomaltase có thể biến tính tinh bột qua phản ứnggọi là α -1,4 - α -1,4 - glucosyltransferase

Qua những quá trinh trên cho ta biết sau khi bị biến tính sản phẩm của phương phápnày là các loại đường glucose, fructose; các poliol như sorbitol, mannitol; các acid aminnhư lysin, MSG, các rượu, các acid [9]

5 Ứng dụng của tinh bột biến tính bằng tác nhân enzyme

Thủy phân tinh bột bằng enzyme để thu dextrin và tạo ra những sản phẩm rất đặc thùđược sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp đặc biệt trong công nghiêp thực phẩm, làmcác chất phụ gia để sản xuất bánh kẹo, thực phẩm cho trẻ em, thực phẩm ăn kiêng vàthực phẩm dùng để truyền trực tiếp cho bệnh nhân nặng, làm chất ổn định cho các dạngnước quả, kem, sữa chua, đường, ứng dụng nhiều trong sản xuất đường mạch nha, bánh

mì, bánh kẹo khác, sản xuất xirô glucose, glucose và nhất là sản xuất bia, riệu…