PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ SINH HỌC VÀ ỨNG DỤNG

Phản ứng oxy hoá khử sinh học• Những phản ứng phân hủy biến đổi dị hoá các hợpchất hữu cơ kèm theo sự giải phóng năng lượng được tiến hành trong tế bào sống với sự tham gia của những hệ

Công nghệ hóa sinh và ứng dụng

Chương 1: PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ SINH HỌC VÀ ỨNG DỤNG

Nội dung

• Khái niệm về phản ứng oxi hóa khử sinh học.

• Ý nghĩa thực tiễn pư oh khử sh.

• Tìm hiểu về quá trình lên men và ứng dụng.

• Quá trình sản xuất yaourt

Dị hóa Đồng

hóa

Đồng hóa

Tự dưỡng quang năng Dị dưỡng

Dị hóa

Phân tử phức tạp Phân tửphức tạp

Phản ứng oxy hoá khử sinh học

• Những phản ứng phân hủy (biến đổi dị hoá) các hợpchất hữu cơ kèm theo sự giải phóng năng lượng

được tiến hành trong tế bào sống với sự tham gia

của những hệ enzym đặc biệt

→ quá trình oxy hoá khử sinh học

Enzyme oxy hóa khử

• Tên gọi: oxydoreductase

• Vài enzyme hoạt hóa oxy

– Peroxydase: có trong thực vật, mô động vật, trongsữa, nấm men…tác động lên các cơ chất như hầuhết các phenol, các amin thơm, các chất dễ oxy hóa(acid ascorbic…)

– Catalase: phổ biến trong động vật (gan, thận, hồngcầu ), thực vật, vi sinh vật và một số vi khuẩn

hiếm khí bắt buộc

Enzyme oxy hóa khử

• Polyphenoloxydase: phổ biến trong thực vật (trongquả và lá cây) và vi khuẩn… xúc tác sự oxy hóa cácpolyphenol khác nhau và dẫn xuất của chúng

• Ascorbatoxydase: chứa ở hầu hết các mô xanh của

thực vật, có nhiều trong cải bắp, bầu bí, càrốt, chuối, táo xúc tác oxy hóa axit ascorbic

• Lipoxydase: xúc tác sự oxy hóa chất béo có chứa axit

Nguyên liệu và sản phẩm của

quá trình oxy hĩa

- Glucid oligo Monosaccharid CO2 + H2O + E Tinh bột Dextrin glucose CO2 + H2O + E

Protein peptid Amino acid

Lipid glycerin + Acid béo Acetyl CoA CO2 + H2O

-phản ứng phân hủy là các phản ứng phóng

thích năng lượng.

Tiến trình giải phóng năng lượng trong quá

– Oxyd hóa các hóa hợp chất đơn giản thành các

sản phẩm trung gian( phóng thích 1/3 năng

lượng)

• Giai đoạn 3

Ý nghĩa thực tiễn

• Tạo sản phẩm có màu sắc, hương vị thơm ngon, tănggiá trị cảm quan của sản phẩm

• Là cơ sở của ngành công nghiệp lên men

• Tác hại đối với việc bảo quản lương thực thực phẩm

→đối với cơ thể sv, pư oxi hóa khử sh có ý nghĩa

quan trọng bậc nhất trong sự TĐC cũng như TĐNL

→đ/v ngành CNTP, tăng cường hoặc kìm hãm phảnứng oxy hoá khử sinh học xảy ra theo mong muốn

Biện pháp ngăn ngừa phản ứng sẫm màu

• Tránh đụng dập gây tổn hại các mô

• Vô hoạt enzyme bằng nhiệt

• Thêm phụ gia làm chậm hoặc ngăn cản sự sẫm màu

• Nhúng ngập quả sau khi cắt lát hay gọt vỏ vào dung dịch nước muối hay đường

Quá trình lên men

• Theo định nghĩa của Pasteur thì “ sự lên men là sựsống không có oxy phân tử”

• Trong lĩnh vực công nghiệp (thực tiễn đời sống):

Quá trình lên men là quá trình trao đổi chất, qua

đó các chất hữu cơ là đường bị biến đổi dưới tácdụng của enzym vi sinh vật, sự hình thành các

chất khác nhau xảy ra trong điều kiện kị khí hoặc

– Lên men hiếu khí

• Là quá trình phân giải đường hay các chất hữu

cơ khác nhau thành sản phẩm đơn giản dướitác dụng của enzym vi sinh vật trong điều kiện

có oxy tham gia

Phân loại

• Dựa vào đối tượng cung cấp hệ enzym

– Lên men nhờ nấm men: lên men rượu, bia, bánh

Điều kiện xảy ra

• Nguyên liệu

– Glucid

• Nguồn cung cấp năng lượng, nguồn cung cấpvật liệu xây dựng cần thiết để sinh tổng hợp cáccấu tử cần thiết

• Dạng glucid dễ lên men: monoza ( glucose, fructose…)

• Sản xuất công nghiệp tận dụng nguồn nguyênliệu lên men từ tự nhiên: tinh bột, mật rỉ,

đường mía, whey sữa, bắp…

Điều kiện xảy ra

• Nguyên liệu

– Nitơ

• Cấu tử quan trọng trong thành phần protein vàacid nucleic

• Thành phần rất cần cho sự sống của vi sinh vật

• Nguồn nguyên liệu ở dạng muối amon, dạngnitrat, ure, bã đậu nành…

Điều kiện xảy ra

• Nguyên liệu

– Photphat

• Vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hoá năng lượng của hệ thống sinh học

• Cung cấp vào môi trường lên men ở dạng photphat

vô cơ: photphat kali hay photphat amon.

– Nguyên tố vi lượng

• Cần cho sự phát triển, sinh trưởng của vi sinh vật.

• Các nguyên tố: Mn, Zn, Cu, Na…

• Các nguyên tố có sẵn trong nguyên liệu tự nhiên ban đầu.

Điều kiện xảy ra

• Nhiệt độ môi trường

– Yêú tố quan trọng nhất, ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của vi sinh vật và hiệu quả lên men.

– Nhiệt độ sử dụng trong quá trình sản xuất phải phù hợp với nhiệt độ sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật.

– Nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ tối ưu của vận tốc phản

ứng enzym xúc tác.

– Thông thường sử dụng nhiệt lên men khoảng 28 0 C-35 0 C

Điều kiện xảy ra

• pH 4-5 nấm men sẽ lên men tạo thành ethanol

• pH kiềm sự lên men tạo ra sản phẩm chính làglyxerin

Điều kiện xảy ra

Lợi ích của phương pháp lên men

• Điều kiện lên men (pH và nhiệt độ) trung bình

→ duy trì (đạt được) tính chất dinh dưỡng và đặc tính

• Nguồn đầu tư và chi phí sản xuất tương đối rẻ

• Công nghệ tương đối đơn giản

Bảng 1: Vài ví dụ về sản phẩm lên men lactic

Lên men lactic

• Là quá trình chuyển hoá kị khí đường thành

acid lactic dưới tác dụng của vi khuẩn lactic.

• Ứng dụng lên men lactic:

– Sản xuất acid lactic dùng tong công nghiệp thuôc

da, nhuộm sơn… và công nghiệp thực phẩm

– Trong bảo quản rau quả

– Trong ngành sữa

Vài sản phẩm thịt cá lên men

Lên men rau quả

• Rau quả lên men vừa có tác dụng bảo quản

(ức chế vi khuẩn gây hư hỏng)

• Vừa có tác dụng tạo vị, kích thích ăn ngon

miệng, dễ tiêu hoá (acid lactic sinh ra tạo vị

chua)

• Quá trình lên men cần chú ý đến số lượng tế bào ban đầu có trong rau, hàm lượng muối,

Sản phẩm lên men từ sữa

• Dùng rộng rãi trong công nghiệp chế biến các sản phẩm sữa: yaourt, phomai, bơ sữa…

• Hương vị, cấu trúc mỗi loại khác nhau do sự khác biệt về nồng độ acid lactic sinh ra,

aldehyde, ceton, acid hữu cơ…

• Tăng giá trị dinh dưỡng, tác dụng chữa bệnh,

dễ tiêu hoá và bảo quản

Bảng 2 Thức uống có cồn và vài sản phẩm khác

Lên men dấm và các acid thực phẩm khác

• Lên men dấm là quá trình oxy hoá rượu thành acid axetic dưới tác dụng của vi khuẩn acetic

• Tác hại trong công nghiệp rượu bia do tạo váng trắng đục và vị chua

• Acid citric được sử dụng như chất tạo vị chua trong thực phẩm, do sự lên men đường của nấm mốc

Aspergillus niger.

• Ngoài ra còn có các acid thực phẩm qua trọng khác: acid glutamic, gluconic, tartaric…

Dược phẩm và công nghiệp sinh học

• Sản xuất nấm men, lactobacillus…

• Các enzym: catalase, amylase, pectinase,

cellulase, lipase…

• Ethanol, acid citric, acid glutamic, lysine,

vitamin, kháng sinh….

Sản xuất yaourt

Là sản phẩm được biết nhiều nhất trong

các sản phẩm lên men, và phổ biến ở hầu

hết các nước trên thế giới.

Được tiêu thụ mạnh ở các nước vùng Địa

Trung Hải, trung tâm Châu Âu và Châu Á.

Bảng thành phần sữa từ các loài động vật khác

nhau

Loài Protein

tổng (%)

Casein (%)

Whey protein (%)

Chất béo (%)

Carbonhydra

te (%)

Tro (%)

0,51,32,83,5

0,70,90,70,5

3,81,73,77,5

7,06,24,84,8

0,20,50,70,7

Phân loại

Phân loại

• Dạng set (dạng truyền thống): được ủ và làm lạnh trong các loại bao gói như hũ

• Dạng khuấy trộn: được ủ trong bồn và làm

lạnh trước khi đóng gói

• Loại uống: tương tự như loại khuấy trộn,

nhưng sữa đông tụ được chuyển thành dạng lỏng trước khi đóng gói.

• Loại đông lạnh: được ủ trong bồn chứa và

đông lạnh như kem

• Dạng cô đặc: ủ trong bồn chứa, cô đặc và làm lạnh trước khi đóng gói

Yaourt bổ sung hương vị

• Thông thường dạng sirô hoặc pure trái cây

được cho vào yaourt.

Yaourt bổ sung hương vị

• Thành phần của yaourt trái cây:

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng

Yaourt

Sữa nguyên liệu Tiêu chuẩn hóa sữa

Chất phụ gia Việc loại khí

Đồng hóa Xử lý nhiệt

Men giống Quá trình nhân giống

Vệ sinh nhà xưởng

Yêu cầu của sữa nguyên liệu chế biến

yaourt

• Phải có hàm lượng vi khuẩn thấp.

• Không chứa các enzyme và các hợp chất hóa học kiềm hãm sự phát triển của men giống.

• Không chứa chất kháng sinh và các vi sinh vật kiềm hãm sự phát triển của men giống.

Chuẩn hóa

• Chất béo

– Yaourt có hàm lượng chất béo từ 0-10%.

– Thường dùng nhất là hàm lượng béo 0.5-3%

– Có thể được phân thành các nhóm sau

Chuẩn hóa

• Hàm lượng chất khô

– Theo qui định của FAO/WHO và nhỏ nhất là 8.2%.– Để chuẩn hóa hàm lượng chất khô:

• Cô đặc ( 10-20% thể tích sữa bị bay hơi)

• Thêm vào bột sữa không kem, dùng đến 3%.

• Thêm vào sữa cô đặc

Bài toán

• Để được hỗn hợp chứa C % chất béo thì cần pha trộn bao nhiêu kg cream có A% chất béo và bao nhiêu kg sữa bột gầy có B% chất béo.

• Giả sử

– C : hàm lượng chất béo trong hỗn hợp=3 %

– B : hl chất béo có trong sữa bột gầy=0,05%

– A : hl chất béo có trong cream A=40 %

• Vậy hỗn hợp là

– 2,95 kg cream 40% béo

– 37 kg sữa không cream 0,05% béo

• Thu được 39,95 kg sản phẩm được chuẩn hóa chứa 3% béo.

• Để tính khối lượng của nguyên liệu có A% chất béo và B% chất béo cần thiết để thu được

khối lượng (X) có C% chất béo, áp dụng công thức sau:

• 1

( C B ) ( A C )

B C

X

− +

Bài tập

• Ví dụ áp dụng công thức tính khối lượng kg cream có A% chất béo và sữa bột gầy có B% chất béo để thu được 20 kg hỗn hợp có C% chất béo.

• Cần bao nhiêu lít sữa nguyên kem (4g béo /100g) và sữa

tách béo ( 0,1g béo/100g) để sản xuất 1000 lít yaourt chứa 1,5 g béo/100g.

• Cần bao nhiêu lít kem (50g béo/100g) và sữa nguyên kem (4g béo/100g) để sản xuất 1000 lít yaourt chứa 10g

Chuẩn hóa

• Nguyên tắc của quá trình chuẩn hóa chất béo

– Đối với người ăn kiêng, dùng chất tạo ngọt.

– Chú ý đối với những trái cây ngọt, thường chỉ bổ sung 12-18% trái cây

– Quá nhiều đường trong sữa trước giai đoạn ủ, bất lợi cho quá trình lên men

Loại khí

• Tạo thuận lợi cho quá trình đồng hóa

• Giảm nguy cơ vỡ hộp trong quá trình xử lí

nhiệt

• Cải thiện tính ổn định và độ nhớt cho yaourt

• Khử mùi lạ

– Tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh

– Ức chế hoạt động của các vi sinh vật khác

Men giống

• Để thõa mãn nhu cầu về độ chua và hương thơm cho sản phẩm yaourt

• Để sản phẩm có độ chua nhẹ và thơm: dùng tế bào

của vi khuẩn Strepcoccus ở giai đoạn trẻ, môi trường

lên men có độ axit thấp

• Sản phẩm có độ axit cao, dùng tế bào của

Streptococcus già hơn hoặc dùng Lactobacillus

Men giống

• Lactobacillus bulgaricus (L.bulgaricus):

– Topt: 45-500C trong môi trường có độ axit cao

• Streptococcus thermophilus (S.thermophilus)

– Phát triển tốt ở nhiệt độ 500C

– Vi khuẩn lactic chịu nhiệt lên men điển hình

– Phát triển trong môi trường có độ axit thấp hơn

L.bulgaricus

– Đây là hai loài vi khuẩn đặc trưng sử dụng trong sản

Men giống

• Sử dụng hỗn hợp cho kết quả sinh ra axit lactic tốt hơn là chỉ sử dụng riêng từng loài.

• Giai đoạn đầu của quá trình sản xuất, pH của sữa thích

hợp cho loài Streptococcus hoạt động chiếm ưu thế, và

quá trình lên men lactic bắt đầu.

năng phân tách một số axit amin từ casein, kích thích sự

phát triển của Streptococcus, làm cho độ axit tăng lên.

• pH sữa thay đổi Streptococcus khó phát triển.

• Nhân giống

• Thiết kế dây chuyền sản xuất

Qui trình chế biến một số loại yaourrt

Quá trình sinh hoá trong sản xuất yaourt

Chỉ tiêu chất lượng chính của yaourt

– Không tách nước, không phân tán

Mặt cắt mịn, béo không bị phân lớp