Hệ amylase và ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Hệ amylase và ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

BÁO CÁO MÔN HỌC HÓA SINH HỌC THỰC PHẨM CAO HỌC HÓA THỰC PHẨM K15 GIẢNG VIÊN: TS TRẦN BÍCH LAM

HỌC VIÊN THỰC HIỆN:

TRỊNH KHÁNH SƠN NGUYỄN DUY TÂN TRẦN QUANG HUY PHAN NGỌC HIẾU

MỤC LỤC

1.GIỚI THIỆU HỆ ENZYME AMYLASE 6

2 TÍNH CHẤT CỦA HỆ ENZYME AMYLASE 9

2.2 Cơ chất của enzyme amylase 11

a Tinh bột 11

b Glycogen 12

2.3 Đặc tính và cơ chế tác dụng 12

3.ỨNG DỤNG CỦA ENZYME AMYLASE TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM 13

3.1 Tình hình ứng dụng enzyme amylase trong công nghiệp trên thế giới và Việt Nam 13

3.2 Ứng dụng của enzyme amylase trong công nghiệp thực phẩm 16

a Trong sản xuất sirô và sản phẩm chứa đường 17

b Trong sản xuất bánh mì 17

c Trong sản xuất bia 20

d Trong sản xuất cồn 26

4 enzyme thủy phân tinh bột 34

4.1 Giới thiệu 34

4.2 Sản phẩm dung dịch đường có hàm lượng dextrose thấp với α- amylase 35

4.2.1 Giới thiệu 35

4.2.2 α-Amylase từ Bacillus amyloliquefaciens 37

a Đặc tính hoá lý 37

b Mô hình hoạt động chuẩn 39

4.2.3 α-Amylase từ thermophilic bacilli 42

a Giới thiệu 42

b Hỗn hợp bacillus α-amylase 42

c B Licheniformis α-amylase 43

4.2.4 Sự đường hoá bởi α-amylase của B subtilis 43

4.2.5 Hiệu quả thương mại với Bacillus α-amylase 45

4.2.6 Tiềm năng ứng dụngcủa enzyme α-amylase cố định 46

4.3 Sản xuấât dung dịch đường dextrose có nồng độ cao 46

4.3.1 Lời giới thiệu 46

4.3.3 Động lực học và sự cân bằng trong phản ứng ngược 50

4.3.4 Sử dụng glucoamylase trong công nghiệp 55

4.3.5 Tiềm năng sử dụng Glucoamylase cố định 56

4.4 Sử dụng isoamylase và pullulanase để khử nhánh 57

4.4.1 Giới thiệu 57

4.4.2 Tính chất của phân tử isoamylase và pullulanase 57

4.2.3 Tính chất của isoamylase và pullulanase 58

4.2.4 Cách sử dụng isoamylase và pullulanase cùng với glucoamylase 59

4.2.5 β-amylase (α-1,4-glucan-mantohidrolase 3.2.1.2) .59

4.2.6 Oligo-1,6-glucosilase hay dextrinnase tới hạn (dextrin-6-glucanhydrolase, 3.2.1.10) 60

4.2.7 α−glucosidase hay maltase (α−D, glucoside-glucohydrolase, 3.2.1.20) 61 4.2.8 Transglucosyldase (α-1,4-glycan:D-glucose-4-glucoziltransferase, 2.4.1.3) 61 5 THÍ DỤ VỀ VIỆC SỬ DỤNG HỆ ENZYME AMYLASE TRONG SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP DUNG DỊCH ĐƯỜNG CÓ NỒNG ĐỘ CAO (LÀM NGUYÊN LIỆU CHUẨN BỊ CHO CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN TIẾP SAU) 63

1.GIỚI THIỆU HỆ ENZYME AMYLASE

Hệ enzyme amylase là một trong số các hệ enzyme được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp, y học và nhiều lĩnh vực kinh tế quốc dân khác Đặc biệt là trong các ngành công nghiệp thực phẩm

Những nghiên cứu thực nghiệm về enzyme nói chung và về amylase nói riêng được bắt đầu vào những năm 1811 – 1814 Những nghiên cứu này gắn liền với tên tuổi của nhà bác học Nga - Viện sĩ K.S Kirhof, ông đã nghiên cứu quá trình phân giải tinh bột dưới tác dụng của dịch chiết đại mạch nẩy mầm (malt) và nhận thấy rằng trong malt có chứa các chất phân giải tinh bột thành đường Mười chín năm sau, tức là vào năm 1833, hai nhà khoa học người Pháp là Payen và Persoz đã tách được chất phân giải tinh bột từ đại mạch nẩy mầm Các tác giả đã dùng rượu để kết tủa nó trong dịch chiết malt và thu được enzyme ở dạng bột, đồng thời đặt tên là diaslase (xuất phát từ chữ Hi Lạp có nghĩa là phân giải) Sau này theo đề nghị của Duclo, enzyme phân giải tinh bột được gọi là amylase

Các enzyme amylase có trong nước bọt, dịch tiêu hoá của người và động vật, trong hạt nẩy mầm, nấm sợi, xạ khuẩn, nấm men và vi khuẩn Bây giờ, người ta thu nhận chúng chủ yếu từ canh trường vi khuẩn, nấm sợi và một số loài nấm men

Ở các nước phương đông, nhất là Trung Quốc, Nhật Bản và Việt Nam nhân dân đã biết sử dụng amylase từ vi sinh vật hàng ngàn năm nay Amylase có thể thuỷ phân hạt tinh bột chưa qua hồ hoá cũng như hạt tinh bột đã hồ hoá Hiện nay, người ta biết có sáu loại amylase, trong đó α- amylase, β- amylase, γ- amylase (hay glucoamylase) thuỷ phân các liên kết α- 1,4 –glucoside của tinh bột, glycogen và các polysaccharide đồng loại Các amylase còn lại dextrin-6-glucanhydrolase, amylopectin-6-glucanhydrolase và oligodextrin-6-glucanhydrolase (dextrinase) thuỷ phân các liên kết α- 1,6 – glucoside Sáu loại enzyme này được xếp thành hai nhóm: endoamylase và exoamylase

Endoamylase: gồm có α- amylase và nhóm enzyme khử nhánh Nhóm enzyme khử nhánh này được chia làm hai loại: loại khử trực tiếp là pullulanase (hay dextrin-6-glucanohydrolase); khử gián tiếp là transglucosylase (hay oligo-1,6-glucosidase) và

amylo-1,6-glucosidase Các enzyme này thuỷ phân các liên kết bên trong chuỗi polysaccharide

Exoamylase: gồm có β- amylase và γ- amylase Đây là những enzyme thuỷ phân tinh bột từ đầu không khử của chuổi polysaccharide

Các dạng amylase không chỉ khác nhau ở đặc tính mà còn khác nhau ở pH hoạt động và tính ổn định với nhiệt Tốc độ phản ứng của amylase phụ thuộc vào pH, nhiệt độ và mức độ polymer hoá của cơ chất Các enzyme amylase từ các nguồn khác nhau sẽ có tính chất, cơ chế tác dụng và sản phẩm cuối cùng của quá trình thuỷ phân khác nhau

Amylase từ các nguồn khác nhau sẽ có thành phần, tinh chất, nhiệt độ hoạt động, pH tối ưu và các đặc điểm thuỷ phân khác nhau

Những nghiên cứu về amylase đã đặt nền móng cho việc sản xuất các chế phẩm enzyme này và là cơ sở khoa học để sử dụng chúng trong sản xuất và đời sống Những nghiên cứu cơ bản và ứng dụng này ngày càng được xúc tiến mạnh mẽ hơn và đang mở ra những phương hướng mới, triển vọng mới to lớn hơn với việc ứng dụng amylase trong các ngành kinh tế quốc dân

Trong thiên nhiên enzyme có ở hầu hết mọi thực vật, động vật và vi sinh vật Song chỉ có một số hạt thực vật và một số loài vi sinh vật mới là những đối tượng có thể dùng làm nguồn thu các chế phẩm enzyme amylase, do chúng có khả năng tích luỹ một lượng lớn các enzyme này trong những điều kiện xác định

Từ lâu người ta đã biết sử dụng các loại enzyme từ hạt nẩy mầm để sử dụng trong ngành chế biến thực phẩm (mạch nha), nước giải khát (bia), … hoặc sản xuất các hỗn hợp bột enzyme gồm amylase và protease để bổ sung vào các loại bột dinh dưỡng cho trẻ em, người già, những người bị suy tiêu hoá Hạt ngũ cốc được cho nẩy mầm, tách bỏ phần rễ và thân mầm, sấy khô ở nhiệt độ thấp để giữ nguyên hoạt tính của enzyme được gọi là malt Malt có thể được sản xuất từ nhiều loại hạt ngũ cốc như đại mạch, lúa, ngô, đậu … Amylase được thu nhận từ hạt nẩy mầm, nấm mốc, mấn

dùng trong sản xuất bia

Ngày nay do có ưu thế về nhiều mặt, vi sinh vật đã trở thành nguồn thu enzyme chủ đạo Người ta đã biết nhiều loại vi sinh vật có khả năng tổng hợp các enzyme amylase Những chủng vi sinh vật tạo nhiều amylase thường được phân lập từ các nguồn tự nhiên, bởi vì các loài khác nhau và thậm chí các chủng vi sinh vật khác nhau cũng thường sản sinh ra nhiều hệ enzyme khác nhau Chẳng hạn trong số 278

loài Aspergillus được tiến hành thử nghiệm thì chỉ có 34 loài tạo α- amylase và

maltase với lượng đáng kể Vi sinh vật tạo amylase được dùng nhiều hơn cả là nấm sợi, nấm men và vi khuẩn, còn xạ khuẫn thì ít hơn

Để thu amylase người ta thường dùng các giống nấm sợi Aspergillus, Rhizopus Nhiều loại thuộc các giống này (Asp oryzae, Asp niger, Asp usamii, Asp awamori, Asp.batatae; Rh delamar, Rh lonnesis, Rh neveus, Rh japonicum, Rh.fokinensis, Rh.lopninensis) và một số loài của Neurospora và Mucor sinh tổng hợp rất mạnh mẽ

không chỉ α- amylase mà cả glucoamylase

Nấm men và giả nấm men thuộc các giống Candida, Saccharomyces Endomycopsis, Endomyces cũng tạo amylase Đặc biệt là người ta đã tuyển chọn được chủng Endomycopsis species 20-9 có khả năng tổng hợp mạnh mẽ glucoamylase, α-

amylase, glucoziltransferase và invertase

Nhiều vi khuẩn cũng có khả năng tạo lượng lớn enzyme amylase như Bac polymyxa, Phytomonas destructans, Bact Cassavanum, Clostridium acetobutylicum, Pseudomonas saccharophila, …Các vi khuẩn ưa nhiệt có khả năng sinh trưởng nhanh 4

– 6 lần vi khuẩn ưa ẩm và phát triển tốt ở nhiệt độ khá cao, nên khi nuôi chúng ở nhiệt độ cao ít bị nhiễm vi sinh vật khác Những vi khuẩn ưa nhiệt tạo nhiều amylase

đáng chu ý là Bac diastaticus, Bac stearothermophilus, Bac coagulans, Bac circulans Đặc biệt, Bac circulans được phân lập từ đất sinh trưởng tốt ở 65 – 700C và tạo amylase mạnh nhất ở 500C Trong số vi khuẩn ưa ẩm tạo amylase mạnh, thì Bac subtilis được nghiên cứu chu đáo hơn cả và được sử dụng rộng rãi nhất Nhiệt độ sinh trưởng tối thích của Bac subtilis là 370C

Trong nhóm xạ khuẩn rất hiếm gặp loài tạo amylase mạnh mẽ, tuy nhiên cũng

có một số, chẳng hạn như xạ khuẩn ưa nhiệt Micromonospora vulgaris 42 có khả năng

tạo một lượng nhỏ α- amylase hoạt động ở 650C cùng với protease và các enzyme khác

2 TÍNH CHẤT CỦA HỆ ENZYME AMYLASE

2.1 Hoạt lực của các enzyme amylase

Khi sử dụng bất kỳ một chế phẩm enzyme nào cũng cần biết rõ hoạt lực xúc tác của nó Các chế phẩm có hoạt tính phân giải tinh bột thường chứa một loại enzyme amylase Vì vậy hoạt lực tổng hợp của chúng phản ánh tác dụng của tất cả các amylase có trong chế phẩm Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào cơ chất và phương pháp xác định mà người ta có thể biết được sự có mặt của một enzyme nhất định nào trong chế phẩm bằng cách gián tiếp Cần nhớ rằng, mọi hoạt độ của chế phẩm enzyme đều không phải là một đại lượng tuyệt đối, mà chỉ là cách biều thị qui ước của hoạt lực xúc tác thu được trong những điều kiện thực nghiệm đã cho mà thôi Do tính đa dạng của enzyme, đặc tính của cơ chất sử dụng, nên phương pháp xác định hoạt độ của enzyme cũng rất khác nhau

Chẳng hạn như ta biết, α- amylase dễ dàng thuỷ phân tinh bột thành các dextrin không cho màu với iode, còn glucoamylase lại phân giải tinh bột tới glucose và làm thay đổi màu với iode chậm, vì lẽ trong dung dịch luôn có một lượng nhỏ dextrin phân tử lớn Do vậy mà người ta đánh giá sự có mặt của α- amylase trong chế phẩm (hoặc canh trường vi sinh vật) bằng sự thay đổi màu với iode, còn đánh giá sự có mặt của glucoamylase bằng sự tích tụ glucose mặc dù rõ ràng là hiện diện đồng thời của cả hai enzyme này đã làm tăng hiệu quả phân giải Hoạt độ thật của từng enzyme một thấp hơn so với số liệu thu được

Cho nên, nếu như ta làm việc với một chế phẩm phức hợp thì phải luôn luôn xác định hiệu lực tác dụng tổng hợp của mọi amylase lên cơ chất và nghĩa là chỉ thu được đặc tính của chế phẩm một cách gián tiếp qua hoạt độ tuyệt đối của nó Để xác định hoạt độ của các enzyme amylase có thể dùng một trong các phương pháp sau:

-Đo sự biến thiên độ nhớt của dung dịch bằng nhớt kế khi cho amylase tác

giảm dần

-Đo mật độ quang của dung dịch sau khi thực hiện phản ứng màu với iode Khi có amylase tác dụng thì các sản phẩm phân giải của tinh bột sẽ cho màu khác nhau đối với iode

-Đo lượng đường maltose hoặc glucose tạo thành khi cho enzyme tác dụng lên

cơ chất Đáng chú ý hệ enzyme amylase có các hoạt độ đặc trưng sau:

+Hoạt độ amylase (HĐA) đặc trưng cho khả năng thuỷ phân tinh bột bởi các enzyme amylase (chủ yếu là của α- amylase) tới dextrin cho màu với iode khác với màu của tinh bột ban đầu Hiện nay phương pháp so màu quang điện của Rukliadeva và Goriatreva (1985) được xem là phương pháp xác định hoạt độ amylase tiêu chuẩn Theo phương pháp này, đơn vị HĐA là lượng enzyme xúc tác thuỷ phân 1g tinh bột tan ở 300C, trong một giờ với pH xác định ( đối với chế phẩm enzyme của nấm mốc, của vi khuẩn thì pH = 4.7 còn đối với α- amylase của malt hay thóc mầm thì pH = 4.8 – 4.9) mức độ thuỷ phân cơ chất xấp xỉ 30%

+Hoạt độ glucoamylase (HĐGl) đặc trưng cho khả năng của chế phẩm thuỷ phân tinh bột đến glucose Muốn xác định HĐGL cần đo được lượng glucose tạo thành Glucose trong hỗn hợp các đường thường được xác định bằng các phương pháp đặc hiệu như phương pháp Zikhetar – Bleyer hoặc phương pháp dùng glucooxydase Đơn vị hoạt độ glucoamylase là lu7ọng chế phẩm enzyme khi tác dụng lên tinh bột ở 300C và pH tối thích trong một giờ tạo ra 1mg glucose (xác định bằng phương pháp Zikhetar – Bleyer) hay cũng trong những điều kiện nhiệt độ và pH tương tự làm giải phóng được 1micromol glucose (xác định bằng phương pháp glucooxydase)

+Hoạt độ đường hoá (HĐĐH) phản ánh khả năng của các enzyme amylase đường hoá tinh bột đến các đường khử Đơn vị hoạt độ đường hoá là lượng chế phẩm enzyme trong một giờ ở 300C và pH thích hợp làm phân giải được 1g tinh bột thành đường khử khi mức độ thuỷ phân cơ chất không vượt quá 30%

+Hoạt độ maltase (HĐM) đặc trưng cho khả năng thuỷ phân maltose tới glucose của chế phẩm enzyme Đơn vị hoạt độ maltose là lượng chế phẩm enzyme

phân giải được 1g maltose tới glucose trong vòng 1 giờ ở 300C, độ thuỷ phân maltose trong phản ứng này không vượt quá 30%

+Hoạt độ dextrinase (HĐDEX) đặc trưng cho khả năng thuỷ phân các dextrin tới hạn tới đường khử của chế phẩm enzyme Đơn vị hoạt độ dextrinase là lượng mg

cơ chất (phospho-dextrin tới hạn) bởi thuỷ phân 1g hay 1 mol chế phẩm enzyme trong một giờ ở 300C Hiện nay người ta không dùng hoạt độ này để đánh giá các chế phẩm enzyme nữa

2.2 CƠ CHẤT CỦA ENZYME AMYLASE

Cơ chất tác dụng của amylase là tinh bột và glycogen

a Tinh bột

Tinh bột là nhóm carbohydrate ở thực vật có chủ yếu trong các loại củ như khoai lang, khoai tây, khoai mì, … trong các loại ngũ cốc, các loại hạt và có công thức tổng quát là (C6H12O6)n Tinh bột từ mọi nguồn khác nhau đều có cấu tạo từ amylose và amylopectin Các loại tinh bột đều có 20 – 30% amylose và 70 – 80% amylose

Trong thực vật, tinh bột được xem như là chất dự trữ năng lượng quan trọng Ví dụ, tinh bột có trong củ và hạt quả được xem như là chất dự trữ năng lượng cho quá trình nẩy mầm, tinh bột củ được xem như chất dự trữ cho cây khi gặp khó khăn và cho cả quá trình nẩy mầm (củ khoai tây, khoai mì, khoai lang …)

Amylose có trong lượng phân tử 50.000 – 160.000, được cấu tạo từ 200 – 1000 phân tử D-glucose nối với nhau bởi liên kết α-1,4-glucoside tạo thành một mạch xoắn dài không phân nhánh

Amylopectin có trong lượng phân tử 400.000 đến hàng chục triệu, được cấu tạo từ 600 đến 6000 phân tử D-glucose, nối với nhau bởi liên kết α-1,4-glucoside và α-1,6-glucoside tạo thành mạch có nhiều nhánh

nóng (60 – 850C) thì tinh bột sẽ bị hồ hoá và được gọi là hồ tinh bột Dưới tác dụng của enzyme amylase, tinh bột bị thuỷ phân do các liên kết glucoside bị phân cắt Sự thuỷ phân tinh bột bởi enzyme amylase xảy ra theo hai mức độ dịch hoá và đường hoá Kết quả của sự dịch hoá là tạo ra sản phẩm trung gian dextrin và khi dextrin tiếp tục bị đường hoá thì sản phẩm sẽ là maltose và glucose

Carbohydrate trong thực phẩm là nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho

cơ thể người Rau và quả cũng là nguồn cung cấp tinh bột và tinh bột này một phần đã đưuọc chuyển hoá thành disaccharide và glucose Carbohydrate có mặt trong hầu hết các loại thực phẩm nhưng nguồn cung cấp chủ yếu là đường và tinh bột

b Glycogen

Glycogen là một loại carbohydrate được dự trữ trong cơ thể động vật và được

cơ thể chuyển hoá để sử dụng từ từ Amylase có vai trò quan trọng trong sự chuyển hoá glucid ở tế bào động vật, vi sinh vật Glycogen được cấu tạo từ các glucose liên kết với nhau bởi liên kết α-1,4 glucoside Ở các vị trí phân nhánh glucose nối với nhau bằng liên kết α-1,6 glucoside Glycogen có mạch nhánh nhiều hơn tinh bột Phân tử lượng ở trong khoảng 2 triệu – 3 triệu glycogen dễ tan trong nước, nếu như chúng ta ăn quá nhiều carbohydrate thì cơ thể chúng ta sẽ chuyển hoá chúng thành chất béo để dự trữ Ở động vật và người, glycogen tập trung chủ yếu ở trong gan

2.3 ĐẶC TÍNH VÀ CƠ CHẾ TÁC DỤNG

a α-Amylase (1,4 - α-glucan 4-glucanhydrolase)(EC 3.2.1.1)

3.ỨNG DỤNG CỦA ENZYME AMYLASE TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

3.1 Tình hình ứng dụng enzyme amylase trong công nghiệp trên thế giới và Việt Nam

Từ khi phát hiện ra enzyme và khả năng chuyển hoá của enzyme, loài người đã tăng nhanh quá trình sản xuất và ứng dụng enzyme trong công nghiệp Số lượng enzyme phát hiện ngày càng nhiều và số lượng enzyme được ứng dụng vào công nghiệp ngày cũng càng nhiều

Bảng : Mức độ ứng dụng của một số enzyme quan trọng hiện nay trên thế giới

-Protease kiềm yếu

-Protease kiềm mạnh dùng trong chất tẩy rửa

Trong số các enzyme được sản xuất và ứng dụng trên thế giới, các nước Châu Âu sản xuất và bán ra thị trường thế giới số lượng nhiều nhất

Bảng : Thị trường enzyme ở Châu Âu

Stt Loại enzyme Giá trị buôn báng enzyme

Bảng : Thị trường enzyme trong công nghệ thực phẩm, thức ăn gia súc trên thế giới

Stt Lĩnh vực công nghiệp enzyme Giá trị buôn bán (triệu đô)

hiểu biết, nghiên cứu, phát triển sản xuất enzyme tại Việt Nam là điều rất cần thiết

3.2 Ứng dụng của enzyme amylase trong công nghiệp thực phẩm

Các nguyên liệu chứa tinh bột không chỉ là nguồn thực phẩm trực tiếp quan trọng mà còn là nguồn nguyên liệu rất quan trọng để tạo ra rất nhiều loại thực phẩm khác nhau Trong công nghiệp sản xuất bột và các sản phẩm từ nguyên liệu chứa tinh bột, ở các nước châu Âu và châu Mỹ, người ta thường sử dụng một số chế phẩm enzyme thương mại như ở bảng sau:

Bảng : Một số chế phẩm enzyme amylase thương mại

Stt Chế phẩm enzyme Tên thương mại hãng sản xuất

1 α-amylase vi khuẩn

Tenase Optiamyl Ban Rapidase

Miles lab Miles Kali-chemie Novo-nordisk Gist-brocades

2 α-amylase vi khuẩn chịu nhiệt

Termamyl

Taka-them II Taka-lite Opti-therm Maxamyl

Novo-nordisk Miles lab Miles lab Miles Kali-chemie Gist-brocades

3 Amylo glucosidase

Diazym Optidex

AMG

Spezym Amygase

Miles lab Miles Kali-chemie Novo-nordisk Fiun Biochemical Gist brocades

4 β-amylase Dextrozym (chứa AMG) Promozym Novo-nordisk Novo-nordisk

5 Amylase nấm sợi

Biozym MKC.Fugal amylase Fungamyl clarase

Amano Novo-nordisk Miles lab

Ở các nước châu Âu và châu Mỹ, công nghiệp sản xuất bột bắp đã phát triển từ rất lâu Ngay ở Mỹ, nước có lịch sử không lâu như các nước khác, nhưng công nghiệp sản xuất bột cũng đã phát triển rất mạnh ở thế kỷ 19 Khoảng 50% bột bắp

trong số 20 x 106 tấn bột bắp được sản xuất hàng năm dùng để sản xuất mật tinh bột Số còn lại dùng cho chăn nuôi và làm các loại bánh

a Trong sản xuất sirô và sản phẩm chứa đường

Mục đích của việc sử dụng enzyme vào sản xuất các loại bánh quy làm tăng mùi và vị của bánh Khi chế biến bột thành các loại bánh quy, các enzyme protease và amylase của bột hoạt động làm tăng hàm lượng các amino acid tự do và làm tăng lượng đường khử Đường khử và các amino acid có trong khối bột đó sẽ cùng tham gia vào các phản ứng oxy hoá khử và kết quả tạo cho bánh có mùi, vị và màu hấp dẫn

Tuy nhiên, nếu chỉ tận dụng nguồn enzyme có sẵn trong bột thì phản ứng trên xảy ra không mạnh, nhất là khi ta sử dụng loại bột xấu để sản xuất bánh Do đó, người ta thường cho thêm enzyme protease và amylase vào bột chế biến trong quá trình sản xuất bánh quy Khi đó lượng đường khử và lượng amino acid tự do sẽ tăng lên, phản ứng ôxy hoá khử sẽ được tăng cường

b Trong sản xuất bánh mì

Các loại hạt ngũ cốc như lúa mì, lúa nước, bắp, khoai mì như là những nguồn nguyên liệu chính để làm bánh Trong đó chỉ có bột từ lúa mì mới là nguyên liệu để sản xuất bánh mì Bánh mì như là một loại lương thực chính của các nước châu Mỹ và châu Âu Trong vài thập niên gần đây, bánh mì được coi như một phần lương thực của Việt Nam

Trong sản xuất bánh mì, enzyme được xem như là chất phụ gia cho vào quá trình làm bánh để làm tăng chất lượng bánh mì Trong sản xuất bánh mì, người ta sử dụng enzyme nhằm giải quyết một số vấn đề sau:

-Làm tăng nhanh thể tích

-Làm màu sắc của bánh đẹp hơn

-Làm tăng mùi thơm cho bánh

Sự tác động tương hỗ giữa khả năng chuyển hoá của enzyme cho vào trong quá trình chế biến và sự hoạt động của nấm men sẽ làm tăng nhanh chất lượng bánh và đảm bảo được những mục đích nêu trên

Trong sản xuất bánh mì người ta sử dụng cả α-amylase và β-amylase Các loại enzyme này tham gia thuỷ phân tinh bột để tạo thành đường Nhờ đó, nấm men Saccharomyces cerevisiae sẽ dễ dàng chuyển hoá chúng thành cồn, CO2, làm tăng thể tích của bánh và tạo ra màu sắc, hương vị tốt cho bánh Nguồn enzyme amylase thường sử dụng là từ malt Tuy nhiên trong những năm gần đây, nguồn nguyên liệu malt dần dần được thay thế bằng nguồn nguyên liệu từ nấm sợi

Các chế phẩm enzyme từ nấm sợi có ưu điểm là trong chế phẩm này không chỉ chứa amylase mà còn chứa protease và một số enzyme khác rất có lợi cho quá trình lên men Trong khi đó, malt chủ yếu chứa amylase còn protease và những enzyme khác không đáng kể Chế phẩm enzyme từ nấm sợi chủ yếu thu nhận từ Aspergillus oryzae Enzyme amylase từ nấm sợi có pH hoạt động tối ưu là 4.5 – 5.5

Tuỳ theo hoạt tính enzyme và điều kiện xử lý bột, người ta thường cho lượng enzyme khác nhau Thông thường lượng enzyme cho vào bánh mì, bánh nổ là 2g/100kg bột, bánh biscuit là 15g/100kg bột Tiêu chuẩn enzyme đưa vào xử lý các loại bột để làm bánh như sau:

-Khả năng dextrin hoá: 2000 UI/g

-Khả năng đường hoá: 150 UI/g

-Khả năng phân giải protein: 7 UI/g

Trong quá trình sử dụng chế phẩm enzyme, người ta còn cho sulfat amôn vào bột như chất đệm cho hoạt động của enzyme amylase Người ta thường tạo chất đệm cho amylase bằng cách trộn lượng enzyme amylase và tinh bột theo tỷ lệ 1: 1 Hỗn hợp này làm ổn định hoạt tính của enzyme Theo cách này hoạt tính của enzyme không

thay đổi trong một năm bảo quản Hỗn hợp enzyme và amon sulfat này khi cho vào bột để làm bánh, chất lượng bánh sẽ tăng lên rất nhiều (tăng thể tích, độ xốp, tăng khả năng giữa hình bánh, tăng mức ổn định cấu trúc ruột bánh và làm giảm quá trình khô của bánh) Ngoài ra khi sử dụng chế phẩm enzyme sẽ làm giảm tiêu hao nấm men lỏng đến 20%

Các kết quả nghiên cứu động học của các phản ứng xảy ra trong sản xuất bánh

mì cho thấy rằng, lượng đường có sẵn trong bột mì không đủ cho sự chuyển hoá hoá học cũng như các chuyển hoá sinh học để đảm bảo chất lượng của bánh mì

Mặt khác, chất lượng của bánh mì không chỉ phụ thuộc vào lượng CO2 tạo ra nhiều hay ít, mà phụ thuộc vào động thái của quá trình tạo ra nó Nếu lượng khí CO2tạo ra chỉ từ lượng đường có sẵn trong bột mì thì lượng CO2 này sẽ đạt cực đại ở giờ đầu tiên và giờ thứ hai của quá trình lên men, sau đó lượng khí sẽ giảm, bánh mì sẽ không đảm bảo chất lượng Trong công nghiệp sản xuất bánh mì, lượng khí CO2 phải được tạo ra liên tục từ giờ đấu tiên đến giờ cuối cùng của quá trình sản xuất Đặc biệt là quá trình tạo ra CO2 phải được ổn định 10 – 15 phút đầu khi đưa bánh vào lò nướng

Khi trong bột có β-amylase hoạt động thì tạo thành CO2 trong quá trình chuẩn bị bột nhào xảy ra theo chiều hướng tăng và đạt cực đại ở giờ thứ tư của quá trình lên men Quá trình này rất thuận lợi và hoàn toàn phù hợp với những yêu cầu kỹ thuật của sản xuất bánh mì Như vậy, việc duy trì sự tạo thành lượng khí liên tục như vậy là do hoạt động enzyme amylase ta đưa vào bột trong quá trình nhào bột

Điều này hoàn toàn khác với trường hợp cho đường vào bột nhào Nếu cho đường vào bột nhào thì quá trình lên men xảy ra rất mãnh liệt ở những giai đoạn đầu của quá trình lên men Sau đó, lượng khí sẽ giảm dần Sự lên men mạnh ở giai đoạn đầu sẽ làm thay đổi cấu trúc vật lý của khối bột và sẽ tạo ra màu, mùi không tốt cho sản phẩm Ở đây cũng cần được làm rỏ hơn ảnh hưởng của từng loại đường được tạo

ra trong hoạt động của enzyme đối với chất lượng bánh Trong quá trình chuyển hoá tinh bột có trong bột mì, một loạt các loại đường được tạo thành như glucose, fructose và maltose Trong đó, maltose có ý nghĩa quan trọng nhất đối với chất lượng bánh mì

Ý nghĩa quan trọng của việc sử dụng chế phẩm enzyme trong sản xuất bánh

mì là khi ta sử dụng enzyme, nhờ hoạt động của nó mà lượng đường được tạo thành từ từ, không tập trung quá nhiều ở giai đoạn đầu hoặc ở giai đoạn cuối của quá trình nhào bột Chính vì thế, enzyme như một chất điều hoà rất có hiệu quả cho quá trình lên men, tạo CO2 trong suốt quá trình kỹ thuật Như vậy, ở một góc độ nào đó ta sử dụng enzyme trong sản xuất bánh mì như một yếu tố điều khiển kỹ thuật chó quá trình sản xuất này

c Trong sản xuất bia

Trong công nghệ sản xuất bia, người ta thường sử dụng enzyme amylase có trong mầm đại mạch để thuỷ phân tinh bột có trong mầm đại mạch Ngoài ra, người ta còn sử dụng các enzyme khác có trong mầm đại mạch để thuỷ phân và chuyển hoá các chất không tan sang trạng thái tan như chuyển protein, cellulose … sang amino acid và glucose Các quá trình công nghệ này đã được thực hiện hàng ngàn năm nay ở nhiều nước trên thế giới So với các loại enzyme amylase, từ các nguồn khác nhau, amylase từ thóc đại mạch đã nẩy mầm được sử dụng với số lượng nhiều nhất hiện nay

Quá trình hạt đại mạch nẩy mầm là quá trình tổng hợp enzyme amylase và nhiều enzyme khác Nhờ sự tổng hợp ra những enzyme này mà hạt tiến hành quá trình tự thuỷ phân tinh bột, protein và các hợp chất khác để cung cấp nguyên liệu và năng lượng cho hạt nẩy mầm Đây là quá trình sinh lý bình thường của quá trình nẩy mầm của hạt Quá trình nẩy mầm là quá trình trao đổi chất và là quá trình sinh lý hạt chuyển từ trạng thái năng lượng dự trữ sang trạng thái năng lượng phát triển

Lợi dụng quy luật sinh lý bình thường này của hạt, loài người đã biết can thiệp rất khoa học để quá trình trên được tiến hành nhanh hơn, mạnh hơn và biết ngưng ở một giai đoạn nhất định, phục vụ cho mục đích của mình trong việc tạo ra sản phẩm là bia chứ không phải là cây lúa đại mạch như trong sản xuất nông nghiệp

Tuy nhiên, xét về mặt kỹ thuật thấy có một thiếu sót cơ bản

Thứ nhất: trong kỹ thuật nẩy mầm, các chất khô có trong hạt sẽ bị tiêu hao Lượng

chất khô bị tiêu hao trong quá trình này khoảng 12% so với tổng lượng chất khô có trong hạt Sự tiêu hao này là điều khó tránh khỏi trong bất kỳ quá trình nẩy mầm nào của hạt Nếu so với tổng lượng thóc đại mạch được sử dụng để sản xuất bia của những nhà sản xuất bia trên thế giới thì lượng chất khô bị tiêu hao trong quá trình nẩy mầm sẽ rất lớn

Thứ hai: quá trình nẩy mầm của hạt là quá trình đòi hỏi thời gian cho sinh tổng hợp các loại enzyme và quá trình chuyển hoá vật chất Quá trình thường kéo dài 10 –

11 ngày Thời gian chi phí cho giai đoạn này không nhỏ nếu như đem so sánh với toàn bộ qui trình sản xuất bia

Thứ ba: Do phải sản xuất malt nên cần phải có một phân xưởng sản xuất malt trong nhà máy bia Do đó, đòi hỏi không chỉ là mặt bằng sản xuất, máy móc, thiết bị cho sản xuất mà còn đòi hỏi lao động Tiêu hao lao động cho sản xuất malt thường chiếm khoảng 1/3 tổng tiêu hao lao động chung của nhà máy bia

Chính vì thế trong thời gian từ hững năm 60 của thế kỷ trước đến nay, người ta đã tìm những nguồn enzyme khác thay thế cho malt nhằm làm giảmbớt những nhược điểm đã trình bày trên

Những enzyme được dùng trong sản xuất bia thay thế malt phải đảm bảo những yêu cầu sau:

Enzyme thay thế malt cần phải phù hợp với enzyme của malt về đặc tính tác dụng và phải có hoạt tính mạnh hơn enzyme có trong malt Các enzyme có trong malt bao gồm:

-Các enzyme thuỷ phân tinh bột thành đường Đây là nhóm enzyme quan trọng nhất, đóng vai trò quyết định chất lượng bia qua quá trình đường hoá, quá trình lên men

-Các enzyme protease tham gia thuỷ phân protein

-Các enzyme thuỷ phân cellulose, hemicellulose

Enzyme thay thế phải đảm bảo cho việc lọc, lên men dịch đường, làm trong bia, cũng như phải tạo ra những đặc tính bia phù hợp như tạo bọt, độ trong và tính chất ổn định trong bảo quản

Sử dụng enzyme từ vi sinh vật là hướng nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước Hướng nghiên cứu và ứng dụng này đã đạt được rất nhiều kết quả Sau một thời gian dài, các ứng dụng này cho thấy những ưu điểm quan trọng sau:

-Thay thế được 30 – 50% malt trong sản xuất bia Khả năng thay thế malt bằng chế phẩm enzyme từ vi sinh vật có ý nghĩa rất lớn không chỉ mặt kỹ thuật mà còn có

ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế, đặc biệt là đối với những nước không sản xuất được đại mạch, giảm ngoại tệ để nhập malt

-Hạ giá thành sản phẩm bia

-Giảm đáng kể vốn đầu tư xây dựng

Khi tiến hành đường hoá để tạo thành nước mu trong sản xuất bia bằng enzyme amylase của malt, người ta được nước mu có thành phần đường như ở bảng sau:

Bảng : Thành phần các loại đường có trong nước mu

Stt Các loại đường Hàm lượng Stt Các loại đường Hàm lượng

15% 25%

Số lượng các loại đường trong bảng cho thấy đường lên men trực tiếp glucose thường chiếm số lượng không nhiều Nếu không thêm các loại enzyme từ bên ngoài vào, rất khó nâng cao được mức độ lên men Do đó trong sản xuất bia, người ta thường cho enzyme có nguồn gốc từ vi sinh vật và từ nguồn thực vật

Các loại enzyme khi cho thêm vào trong sản xuất bia thường nhằm vào những mục đích sau:

-Nâng cao chất lượng dịch đường hoá

-Nâng cao khả năng lên men bia

-Nâng cao chất lượng và ổn dịnh chất lượng bia

-Giảm giá thành sản phẩm

Những ưu điểm của enzyme từ nguồn vi sinh vật được sử dụng trong sản xuất bia như sau:

Các chế phẩm enzyme từ vi sinh vật thường có hoạt tính xúc tác rất mạnh và chứa khá đầy đủ các loại enzyme cần thiết cho sự chuyển hoá tinh bột thành đường, đặc biệt là tạo ra được loại đường có khả năng lên men với số lượng lớn

Các chế phẩm enzyme từ vi sinh vật thường có khả năng hoạt động ở nhiệt độ rất cao Điều này rất thuận lợi cho việc vận hành quá trình dịch hoá và đường hoá Bảng : một số đặc tính của chế phẩm enzyme sử dụng trong sản xuất bia

Stt chế phẩm Loại BAN 2401 Termamyl 128L Fugamyl 800L AGM 300L Promozym

200L

1 Loại enzyme α-amylase α,β-amylase α-amylase Amyloglucosidase Pullulanase

2 LK bị tác động α -1,4 α -1,4 α -1,4 α -1,4 và α-1,6 α-1,6

3 Sp phản ứng dextrin dextrin maltose glucose Dextrin mt

4 Nhiệt độ tối ưu 70 0 C 90 0 C 55 0 C 65 0 C 60 0 C

Công nghệ sản xuất bia là dạng công nghệ rất phức tạp, qua nhiều công đoạn sản xuất khác nhau Việc ứng dụng enzyme từ nguồn vi sinh vật vào sản xuất bia không phải là nhằm mục đích thay thế hoàn toàn enzyme có trong malt mà chỉ ứng dụng vào từng công đoạn nhất định để hoàn thiện hơn quá trình sản xuất Các nước trên thế giới thường ứng dụng enzyme trong các công đoạn sản xuất bia như sau:

-Dịch hoá

-Đường hoá

-Giai đoạn lên men

-Giai đoạn làm trong bia và ổn định chất lượng bia

Sử dụng enzyme trong quá trình dịch hoá Dịch hoá là quá trình thuỷ phân sơ bộ tinh bột và protein trong khối bột ở nhiệt độ cao Ở giai đoạn này, người ta sử dụng enzyme amylase và protease của vi khuẩn Các loại enzyme thu nhận từ vi khuẩn thường có hoạt tính cao và có khả năng chịu nhiệt độ cao rất tốt Nhiệt độ cao thường làm biến tính enzyme có trong malt Do đó việc bổ sung enzyme có khả năng chịu nhiệt từ nguồn vi khuẩn là điều hết sức cần thiết

Khi ta cho nguyên liệu thay thế malt (bột bắp hay bột gạo) vào trong hỗn hợp, các loại nguyên liệu này không được thuỷ phân, dễ dàng tạo ra độ nhớt cao, ảnh hưởng nhiều đến quá trình đường hoá và lên men sau này Nếu ta cho thêm enzyme chịu nhiệt từ nguồn vi sinh vật, độ nhớt của các nguyên liệu trên sẽ giảm, sẽ làm tăng quá trình đường hoá và lên men sau này

Các thí nghiệm dùng 10% malt trong dịch hoá bột bắp và sử dụng enzyme từ vi khuẩn cho thấy độ nhớt trong dung dịch bột khi sử dụng enzyme từ vi sinh giảm nhiều hơn dùng malt Hiện tượng độ nhớt giảm cũng thấy ở bột gaọ khi dịch hoá có sử dụng enzyme từ vi khuẩn

Đường hoá là công đoạn sản xuất bia rất quan trọng, trong đó lượng đường được tạo thành sẽ quyết định khả năng lên men và chất lượng bia sau này Chính vì thế, nhiều nhà máy bia trên thế giới đã cho thêm enzyme với số lượng lớn trong giai đoạn này Các enzyme cho vào trong giai đoạn này là những enzyme vi khuẩn chịu nhiệt

Trong nước mu, sau khi đường hoá có chứa 90% là các chất carbohydrate, trong số này có đến 75% đường có khả năng lên men Phần còn lại 25% là các loại dextrin mạch thẳng và mạch nhánh

Trong rất nhiều trường hợp, lượng đường tạo thành không đạt được mức độ trên do nhiều nguyên nhân Trong đó nguyên nhân chính là chất lượng malt kém Có

ba cách để làm tăng lượng đường trong nước mu:

-Kéo dài thời gian đường hoá

-Sử dụng thêm đường

-Sử dụng enzyme để đường hoá hết lượng tinh bột

Trước đây người ta thường sử dụng hai cách trên Sau này, việc sử dụng enzyme thường được sử dụng hơn Người ta thường sử dụng các loại chế phẩm enzyme sau:

Bảng : các loại enzyme thuỷ phâ tinh bột sử dụng trong sản xuất bia

Điều kiện sử dụng

Loại enzyme và vi sinh

Kiểu tác động và sản phẩm tạo ra Amylase vi khuẩn

Khi sử dụng enzyme, chúng ta có khả năng sản xuất bia không có các dextrin

dư thừa và do đó chứa ít calori hơn loại bia thông thường Mức giảm này có thể đạt tới 25%

Các enzme sau khi tham gia vào các quá trình đường hoá sẽ còn sót lại và lẫn vào dịch lên men Về nguyên tắc, hoạt tính còn sót lại này không ảnh hưởng gì đến chất lượng bia, mà ngược lại chất lượng bia sau này thường tốt hơn

Hiệu quả đường hoá khi sử dụng các chế phẩm enzyme sẽ thấy ngay sau 20 –

35 phút Việc tăng thêm lượng enzyme vào không chỉ làm tăng lượng đường hay mức độ trích ly những chất hoà tan mà còn tăng khả năng lọc và lên men sau này

d Trong sản xuất cồn

Cồn chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp lên men Nguời ta lên men cồn từ nguyên liệu chứa đường (mật rỉ) hoặc từ nguyên liệu chứa carbohydrate

Ngày nay cồn được ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống, trong công nghiệp Trước đây, người ta thường dùng malt giống như trong sản xuất bia Sau khi các nhà khoa học Nhật đưa ra phương pháp sản xuất amylase từ nấm sợi, người ta thay thế amylase của malt bằng amylase nấm sợi Amylase nấm sợi đầu tiên được ứng dụng trong sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu tinh bột là amylase của Aspergillus oryzae Sau này nhiều amylase từ các loài vi sinh vật khác nhau được sản xuất và được áp dụng rất rộng rãi

Công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột qua những công đoạn cơ bản sau:

-Xử lý nguyên liệu bao gồm nghiền nhỏ nguyên liệu, dịch hoá nguyên liệu Có thể xử lý nguyên liệu bằng acid hoặc kiềm

-Chuyển hoá tinh bằng α-amylase để tạo thành dextrin

-Chuyển hoá dextrin bằng β-amylase hay amyloglucosidase để tạo ra đường có khả năng lên men

-Lên men dịch đường bằng nấm men Saccharomyces cerevisiae

-Chưng cất thu nhận cồn

-Tinh chế cồn để thu nhận cồn có chất lượng cao

Trong các quá trình công nghệ trên, enzyme được ứng dụng ở công đoạn

đường hoá (chuyển hoá tinh bột thành đường)

Quá trình thuỷ phân tinh bột được thực hiện theo sơ đồ sau:

Nguyên liệu chứa tinh bột

Nấu chín ở nhiệt độ cao

Amyloglucosidase Làm nguội Amylase

hoạt động ở 550C hoạt động ở 550C

Đường hoá

Quá trình đường hoá đóng vai trò quyết định đến khả năng lên men và hiệu suất cồn thu được các chế phẩm sử dụng trong công nghệ sản xuất cồn bao gồm những chế phẩm thô được thu nhận từ phương pháp nuôi bề mặt, nuôi chìm hoặc các chế phẩm đậm đặc, tinh khiết Tuy nhiên, các nhà máy sản xuất cồn hiện nay thường sử dụng chế phẩm thô do tính chất kinh tế Sau khi tiến hành đường hoá, phần thô còn lại của chế phẩm enzyme tồn tại trong bã rượu Toàn bộ phần này được sử dụng để sản xuất thực phẩm gia súc

chỉ chứa các thành phần không phải enzyme mà còn chứa trong đó nhiều loại enzyme khác nhau Phức hợp enzyme này vừa có lợi và cũng vừa có hại Có lợi vì sản phẩm được tạo ra do phức hợp enzyme, đó là môi trường rất thuận lợi cho nấm men phát triển trong giai đoạn đầu của quá trình lên men Nhưng điều không có lợi ở chổ, có thể có những phản ứng không mong muốn giữa các sản phẩm đó, tạo ra những sản phẩm xấu trong dịch lên men và trong sản phẩm Chính vì thế, điều cần phải làm trước khi đưa chế phẩm enzyme vào quá trình đường hoá là phải xác định hoạt tính enzyme của từng loại enzyme, từ đó điều chỉnh hoạt động của chúng Việc điều chỉnh hoạt động và quá trình tạo ra enzyme là cả một nghệ thuật dựa trên các đặc điểm sinh lý và cơ chế sinh tổng hợp enzyme của vi sinh vật Từ đó, ta có thể phân chia các chế phẩm enzyme thành ba nhóm sau:

Nhóm 1: bao gồm các enzyme có khả năng thực hiện các phản ứng sinh hoá cần thiết và nó quyết định đến hiệu quả sản xuất cồn

Nhóm 2: bao gồm các enzyme tham gia những biến đổi cơ bản cơ chất để tăng cường quá trình chuyển hoá cơ bản

Nhóm 3: bao gồm những enzyme tham gia các phản ứng, tạo ra những sản phẩm không mong muốn, làm cản trở quá trình lên men hoặc tạo ra những sản phẩm lẫn vào cồn, gây khó khăn cho quá trình tinh luyện

Sử dụng enzyme trong sản xuất cồn biểu diễn rõ nhất của hướng ứng dụng enzyme trong công nghệ thực phẩm Theo đó, enzyme được sử dụng theo hai hướng:

Hướng thứ nhất: Enzyme được tổng hợp cùng với sự phát triển và sinh sản của tế bào vi sinh vật Sản xuất cồn theo phương pháp amylo, người ta sử dụng enzyme theo hướng này

Trong công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp amylo, người ta cho nấm sợi Rhizopus spp hoặc Mucor spp Phát triển hẳn trong dung dịch cơ chất Trong quá trình phát triển, các loại nấm sợi này sinh tổng hợp ra enzyme và các loại enzyme này tham gia thuỷ phân tinh bột, protein và cả cenllulose Quá trình phát triển, sinh sản của nấm sợi song song với sự thuỷ phân tinh bột Phương này rất có hiệu quả khi ta sử

dụng nguồn tinh bột có độ nhớt cao trong môi trường nước Quá trình trên cũng song song xảy ra cùng với sự tăng trưởng của nấm men, sinh sản của nấm men và quá trình rượu hoá

Hướng thứ hai: Chế phẩm enzyme sẽ được sản xuất riêng và người ta sử dụng chế phẩm enzyme ( chứ không phải chế phẩm vi sinh vật) để thuỷ phân tinh bột Phương pháp ứng dụng enzyme này được triển khai nhiều trong sản xuất cồn theo phương pháp mycomant Chế phẩm enzyme có thể là các chế phẩm thô, hoặc cũng có thể là các chế đậm đặc Theo phương pháp mycomant, công đoạn đường hoá tách hẳn công đoạn lên men Người ta tiến hành công đoạn đường hoá nhờ chế phẩm enzyme, sau đó mới tiến hành quá trình rượu hoá Phương pháp ứng dụng enzyme theo phương hướng này có rất nhiều ưu điểm Ưu điểm lớn nhất là ta hoàn toàn kiểm soát được quá trình đường hoá

Ngày nay ở nhiều nhà máy sản xuất cồn, người ta tiến hành quá trình đường hoá theo phương pháp liên tục và còn sử dụng phương pháp cố định enzyme Hai phương pháp này nằm trong hướng sử dụng enzyme thứ hai có kiểm soát rất chặt chẽ

Các chế phẩm enzyme để sản xuất cồn từ vi sinh vật thường chứa nhiều loại enzyme khác nhau Các enzyme này thường thực hiện những phản ứng riêng

Vai trò của α-amylase Các loại α-amylase được thu nhận từ các nguồn khác nhau thường có tính chất giống nhau, nhưng giữa chúng cũng tồn tại những đặc tính riêng

-α-amylase bị kiềm hãm bởi kim loại nặng Canxi có vị trí và vai trò rất quan trọng trong cấu trúc của α-amylase Chúng bảo vệ enzyme khỏi những tác động xấu của điều kiện môi trường Chúng đảm bảo tính ổn định của hoạt động của enzyme, chống lại sự phá huỷ bởi các enzyme protease

-Khối lượng α-amylase vào khoảng 50.000 Riêng đối với α-amylase của

Bacillus sterothermophilus có khối lượng chỉ khoảng 15.600, α-amylase của vi khuẩn

thường hoạt động mạnh ở pH = 5.5 – 7.9, α-amylase của nấm sợi thường hoạt động

mạnh ở pH acid yếu

-amylase của vi khuẩn thường chịu nhiệt tốt hơn của nấm sợi Các amylase của vi khuẩn có thể hoạt động ở nhiệt độ 85 – 95 0C Trong khi đó, α-amylase của nấm sợi chỉ hoạt động ở 650C

α Khi thuỷ phân tinh bột, α-amylase tác động vào liên kết α-1,4 glucoside và sản phẩm tạo ra là maltose và dextrin và mạch của chúng gần bằng C6, các dextrin sau đó sẽ phân huỷ chủ yếu theo:

Bảng : pH tối ưu của α-amylase từ các nguồn khác nhau

Nấm sợi

Vi khuẩn Malt

4.5 – 4 8 6.0 – 7.0

5.3 – 5.5

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, α-amylase của vi khuẩn chỉ hoạt động rất mạnh trong giai đoạn đầu của quá trình đường hoá Nguyên nhân vì có sự thay đổi pH trong thời gian đường hoá, nhưng nguyên nhân quan trọng là giới hạn hoạt động của α-amylase tới đường không vượt quá 70 – 80%

Theo giới hạn thuỷ phân tinh bột bằng α-amylase của Bacillus subtilis là dextrin có năm gốc glucose, một liên kết α-1,6 và ba liên kết α-1,4 Theo tính toán, người ta cho thấy rằng, giới hạn thuỷ phân tinh bột đến glucose và maltose là 70 – 75%

Khi tiến hành thuỷ phân tinh bột bằng α-amylase của nấm sợi đến dextrin giới hạn có bốn nguyên tử glucid và một liên kết α-1,6 Trong trường hợp này, giới hạn đường hoá đến glucose và maltose đạt 84 – 87% tinh bột ban đầu đường hoá Như vậy lượng cơ chất ban đầu không phải với số lượng càng lớn, khả năng thuỷ phân của α-amylase càng cao

Như vậy, vai trò cơ bản của α-amylase trong sản xuất rượu là làm dịch hoá nhanh ở giai đoạn nấu và cả ở giai đoạn đầu của sự đường hoá, dextrin hoá và tích tụ đường

Vai trò của glucoamylase Glucoamylase thuỷ phân liên kết α-1,4 trong các polysaccharide, chúng liên tiếp phân cắt các gốc glucose không khử trong polysaccharide Ngoài ra glucoamylase còn có khả năng phân cắt liên kết α-1,6 glucoside

Glucoamylase thường hoạt mạnh trong môi trường acid (pH hoạt động tối ưu là 3.5 – 5.5) Ngoài ra các glucoamylase còn có thể hoạt động ở môi trường trung tính (pH khoảng 6.0 – 7.5) Các glucoamylase của nấm men thường là những glucoamylase trung tính

Phần lớn các glucoamylase hoạt động ở pH không cao Nhiệt độ tối ưu vào

glucose được xác định là đường lên men Do đó, việc sử dụng glucoamylase trong sản xuất cồn có triển vọng rất lớn

Vai trò của pullulanase Pullulanase là enzyme tham gia thuỷ phân liên kết 1,6 glucoside trong các poly và oligosaccharide Pullulanase được tổng hợp bởi

α-Aerobactermaerogenes

Pullulanase có khối lượng phân tử 145.000 hoạt động mạnh ở pH = 4.7 – 5.0 và nhiệt độ hoạt động tối ưu là 47.50C Pullulanase phân cắt liên kết α-1,6 trong trường hợp các liên kết này bị bao quanh tất cả các phía bằng liên kết α-1,4 glucoside

Dextrin có phân tử thấp, rất dễ bị pullulanase phân huỷ tạo thành từ hai gốc maltose, nối với nhau bằng liên kết α-1,6 glucoside Nếu có sự kết hợp với α-amylase và pullulanase, dextrin sẽ bị phân huỷ hoàn toàn

Tuỳ theo từng công đoạn trong sản xuất cồn, người ta đưa ra những yêu cầu về chế phẩm enzyme khác nhau

Giai đoạn xử lý nhiệt ẩm nguyên liệu đây là giai đoạn dịch hoá và dextrin hoá nguyên liệu tinh bột ở nhiệt độ 60 – 950C Ở giai đoạn này không đòi hỏi sự tích tụ nhiều đường và amino acid nên các enzyme α-amylase phải hoạt động mạnh Nếu quá trình phân giải ở giai đoạn này tạo nhiều glucose và amino acid, rất có thể chúng sẽ tạo ra phản ứng melanoidin, hình thành màu sẫm hoặc cũng có thể sẽ bị caramen hoá khi ở nhiệt độ cao Ở giai đoạn này, các enzyme phải hoạt động gần với pH tự nhiên của nguyên liệu pH của nguyên liệu thường khoảng 5.4 – 6.2 Như vậy, trong giai đoạn này chỉ nên tạo điều kiện tối ưu cho α-amylase hoạt động

Việc ứng dụng α-amylase ở giai đoạn này khi nguyên liệu được nghiền mịn và theo sơ đồ liên tục đem lại hiệu quả rất cao cho toàn bộ công nghệ

Trong quá trình dịch hoá người ta thường sử dụng enzyme α-amylase của vi

khuẩn Enzyme α-amylase của vi khuẩn là những enzyme chịu nhiệt, nhờ đó thúc đẩy việc sử dụng triệt để nhiệt hơi mà còn hướng quá trình theo chiều tích tụ nhiều dextrin cao phân tử hơn và ít đường lên men hơn

Gia nhiệt nhanh hỗn hợp không dịch hoá bằng α-amylase cho lượng glucid tan trong rượu ít hơn so với có dịch hoá Nếu nấu sơ bộ mà gia nhiệt nhanh rối duy trì lâu

ở nhiệt độ 90 – 950C và không dịch hoá thì hoàn toàn không thể thực hiện được trong điều kiện sản xuất Do đó, trong thực tế bắt buộc phải kết hợp chế độ gia nhiệt nhanh và dịch hoá bằng α-amylase của vi khuẩn

Người ta tiến hành quá trình xử lý nhiệt ẩm với quá trình dịch hoá theo sơ đồ sau:

-Mức độ nghiền nguyên liệu: bột sau khi nghiền 100% qua rây có lỗ θ = 1 mm

-Trộn nguyên liệu đã qua nghiền với nước và chế phẩm α-amylase ở nhiệt độ

30 - 400C có hoạt tính 0.8 – 1.0 UI/g tinh bột

-Đun nhiều lần hỗn hợp đến 90 – 950C và duy trì nhiệt độ này trong 20 – 25 phút, có khuấy đảo liên tục để phản ứng enzyme xảy ra mạnh và tránh hiện tượng caramen xung quanh thiết bị Người ta duy trì nhiệt độ nhờ hệ thống khuấy liên tục, cung cấp hơi nóng liên tục và điều chỉnh nhờ bộ điều chỉnh nhiệt

Giai đoạn đường hoá nguyên liệu điều kiện căn bản của giai đoạn này là trong chế phẩm phải có đầy đủ cả enzyme glucoamylase và α-amylase để đảm bảo cho việc phân huỷ cơ chất tạo thành lượng có thể lên men đạt được cao nhất Ngoài

ra, trong giai đoạn đường hoá còn cần cả enzyme protease và cellulase để tăng hiệu suất đường hoá và tạo điều kiện tốt cho quá trình lên men sau này

Nhiệt độ tối ưu cho tất cả các enzyme này là 55 – 620C Mặt khác, các enzyme này phải đu7ọc tồn tại cả trong quá trình lên men pH tối ưu cho tất cả các enzyme này thường là pH tự nhiên của dịch đường hoá (pH khoảng 4.0 – 5.6) Như vậy, khi ứng dụng các chế phẩm enzyme vào trong đường hoá tinh bột trong sản xuất rượu có

những đặc điểm sau đây:

-Sản phẩm cuối cùng của quá trình đường hoá phải là glucose Đây là loại đường có khả năng lên men mạnh nhất

-Quá trình thuỷ phân cơ chất để tạo thành glucose tiếp tục xảy ra trong quá trình lên men Tuy nhiên, tốc độ lên men phụ thuộc rất nhiều vào lượng đường tạo thành trong quá trình đường hoá Do đó, quá trình chuyển hoá cơ chất trong giai đoạn đường hoá phải là quá trình chính

4 ENZYME THỦY PHÂN TINH BỘT

4.1 Giới thiệu

Việc thuỷ phân tinh bột có thể được thực hiện bằng hoá chất và cũng có thể được thực hiện bằng enzyme, nhưng việc sử dụng enzyme để thuỷ phân được phổ biến hơn bởi vì có thể cho năng suất glucose cao hơn, và ít sản phẩm phụ hơn Trong những năm gần đây dạng xirô có hàm lượng fructose cao được sản xuất từ việc đồng hoá xirô có chứa hàm lượng glucose cao, đã trở thành lối ra chính yếu của việc thuỷ phân tinh bột, và điều này đã thúc đẩy việc sử dụng enzyme để thuỷ phân tinh bột trong tương lai

Sản phẩm thứ hai sử dụng enzyme là xirô có hàm lượng maltose cao, mặc dù việc này không quan trọng và cũng không phát triển nhanh chóng như sản phẩm xirô có hàm lượng glucose cao, nhưng việc sử dụng enzyme và điều kiện sản xuất khác nhau này cũng phải được thực hiện và chú trọng ở mức độ độc lập

Sáu enzyme thuỷ phân đã được sử dụng cùng một lúc hoặc cùng một loại enzyme cho việc thuỷ phân tinh bột đó là: bacterial α- amylase, glucoamylase (hay còn gọi amyloglucosidase), pullulanase, isoamylase, α-amylase và fungal α- amylase, sáu enzyme này khi thuỷ phân tinh bột sẽ cho năng suất sản phẩm khác hơn khi sử dụng chỉ một enzyme bacterial α-amylase Bởi vì những enzyme này khác nhau về đặc tính như đã kể trên và ngoài ra tất cả các enzyme thuỷ phẩn có mối liên hệ khác nhau trong cấu trúc phân tử tinh bột, điều này giải thích cho cách thức thuỷ phân của các enzyme Thêm vào đó, vì mỗi enzyme đã được xác định, thậm chí chỉ trong phòng