Phản ứng thủy phân và ứng dụng

Nội dung• Khái niệm về phản ứng thuỷ phân • Ý nghĩa • Vài ứng dụng của enzim thủy phân • Phương pháp thực hiện quá trình thuỷ phân • Ứng dụng... • Tính đặc hiệu của enzim– Thủy phân trên

Chương 2

Phản ứng thủy phân và ứng

dụng

Nội dung

• Khái niệm về phản ứng thuỷ phân

• Ý nghĩa

• Vài ứng dụng của enzim thủy phân

• Phương pháp thực hiện quá trình thuỷ phân

• Ứng dụng

Phản ứng thủy phân

Là phản ứng phân giải các chất, có sự thamgia của nước

Bản chất: là quá trình phân cắt một hợp chấtcao phân tử thành các phần tử đơn giản hơn

dưới tác dụng của các chất xúc tác và có sựtham gia của nước trong phản ứng

Ý nghĩa

• Là phản ứng phổ biến và rất quan trọng trongbảo quản và sản xuất thực phẩm

• Phản ứng thủy phân thường là mở đầu cho

một loạt các phản ứng tiếp diễn

• Đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật sảnxuất các sản phẩm thực phẩm

Vật liệu đưa vào quá trình

Xúc tác sinh học

• Tính đặc hiệu của enzym

• Độ hoạt động của enzym

• Điều kiện tối ưu

• Tính đặc hiệu của enzim

– Thủy phân trên cơ chất nhất định

Ví dụ

Enzim thủy phân tinh bột: hệ amilase, có nhiều trong hạt nẩy mầm, nấm mốc, nấm men và các vi khuẩn.

Enzim thủy phân protid: protease.

Lipase: thuỷ phân lipid thành acid béo.

• Độ hoạt động của enzym: cao

– Phụ thuộc vào nhu cầu và tính chất của sản phẩm

→ sử dụng enzim dạng tinh khiết hay sử dụng các chế phẩm từ thô đến tinh.

– Chế phẩm: hoạt độ không cao bằng enzim tinh

khiết, lượng dùng lớn hơn, chất lượng sản phẩm không hoàn toàn cao, nhưng kinh tế hơn (đặc biệt đối với enzim khó tách).

– Hiện nay, enzim tinh khiết và chế phẩm được

thương mại hoá→ thuận tiện sử dụng

Điều kiện tối ưu

Cần biết trước khi sử dụng Điều kiện tối ưu cho mỗi loại Khác nhau về nguồn gốc

Biến đổi và động lực học của quá

thuỷ phân

x: lượng cơ chất được thủy phân sau thời gian t k: hằng số tốc dộ phản ứng

Ưu và nhược của thủy phân bằng

enzym hydrolase

• Ưu

 Nhược

Tính đặc hiệu cao Điều kiện sản xuất nhẹ nhàng, ôn hoà: nhiệt độ không quá cao, pH trung tính

Điều chỉnh được thành phần hoá học của sản phẩm Không dùng hoá chất trong sản xuất

Không tổn hao axit amin trong quá trình sản xuất Thiết bị đơn giản, dễ chế tạo Giá thiết bị không cao

Hiệu suất thủy phân không cao Thời gian và quy trình sản xuất kéo dài

Khắc phục nhược điểm của phương pháp thủy

Enzyme thủy phân: HYDROLAZE

- Nguồn gốc: Động vật, thực vật, vi sinh vật

- Chia thành 4 nhóm theo bản chất cơ chất: esterase, glucosidase, peptidase, amidase

Đặc điểm chung của enzyme thủy phân:

HYDROLAZE

- Đa số các enzyme thủy phân không có nhóm

ngoại (enzyme một cấu tử)

- Trung tâm hoạt động của chúng có các acid

amin đặc hiệu

- Ví dụ : Imidazol của histidin

Hydroxyl của serin

Enzyme thủy phân cơ chất đường bột.

• Giới thiệu chung

Enzyme được dùng chuyển hóa tinh bột thôthành:

-Sản phẩm chứa tinh bột đã qua xử lý

-Sản phẩm có nguồn gốc từ tinh bột.

-Sản phẩm đường hoá

Giới thiệu chung về tinh bột

• Tinh bột là hợp chất thứ hai sau cellulose hiệndiện nhiều trong thực vật

• Các hạt tinh bột là nguồn dự trữ năng lượng

• Kích cỡ và hình dạng các hạt tinh bột thay đổitùy theo giống

• Nguồn tinh bột thương mại: lúa, lúa mì, bắp, khoai, sắn…

Hệ enzyme dùng chế biến đường bột

• Nhóm enzyme đồng phân hoá:

Enzyme glucose isomerase

• Nhóm enzyme oxyd hoá:

Enzyme glucose oxydase

• Nhóm enzyme thuỷ phân

Enzyme invertase.

Enzyme α amilase

• Mã enzyme: (EC 3.2.1.1)

• Kiểu enzyme thuỷ phân: endo-acting

• Cơ chất: tinh bột, glycogen

• Vị trí cắt: Liên kết glycosid 1-4 bên trong dây tinh bột

không cắt liên kết glycosid 1-6

• Sản phẩm sau thuỷ phân: Dextrin

Enzym nhạy với nhiệt

• Ứng dụng: Hồ hóa tinh bột, đuờng hóa tinhbột để nấu bia , chế tạo syro maltose đậmđặc

Enzyme α amilase(tt)

Tính chất cuả enzyme α amilase

• Dễ tan trong H20, nuớc muối, rượu loãng.

• α amilase là protein có tính acid yếu.

• Điểm đẳng điện pHi=4,2-5,7.

• Bền với nhiệt hơn các enzyme amilase khác.

• Bị kiềm hãm bởi kim loại nặng:

Cu 2+ , Ag 2+ ,Hg 2+

Nguyên liệu sản xuất enzyme

Enzym β amilase

• Mã enzym: (EC 3.2.1.2)

• Kiểu thuỷ phân: Nhóm exo-acting

Enzym cắt từ đầu không khử

• Vị trí cắt: Liên kết glycosid 1-4

Không cắt liên kết glycosid 1- 6

Enzyme β amilase (tt)

Tính chất β amilase

• β amilase có trung tâm hoạt động chứa nhóm

SH, COOH, vòng imidazol cuả histidin

• Bền khi không có Ca2+ , bị kềm hãm bởi Cu2+,

Hg2+, urê

pH tối thích: ph=4,6 - 5,6

T0 tối thích: 40 – 500 C

T0 bất hoạt: 700 C

Glucose amilase

• Mã enzyme (EC 3.2.1.3)

• Kiểu enzyme : Exo – acting

• Cắt kiên kết glucosid 1-4 từ đầu không khử

• Ứng dụng: Sản xuất high glucose syrup từdextrin

Iso amilase

• Mã enzyme: (EC 3.2.1.68)

• Kiểu enzyme thuỷ phân:

Cắt liên kết glycosid 1-6

• Cơ chất: Amilopectin, glycogen

• Ứng dụng : sản xuất maltose syrup.

• Kết hợp với β amilase sẽ gia tăng hiệu suất thủy phân, tăng năng suất.

Enzym Glucose oxydase

Glucose isomerase

• Mã enzyme: ( EC: 5.3.1.5 )

• Tác dụng: Chuyễn hoá glucose thành fructose

• Là enzyme thương mại quan trọng nhất.

• Nguồn thu nhận:

Bacillus spp, streptomyces spp

Glucose isomerase (tt)

• Tính chất enzyme:

Hoạt động ở ph trung tính Nhiệt độ tối ưu : 55 0 C - 60 0 C Nồng độ cơ chất: 45%

Chất hoạt hoá: Mg

Enzyme invertase

• Mã enzyme: (EC: 3.2.1.26 )

• Kiểu phản ứng: Thủy phân sacchcarose thành

glucose và fructose.

Hỗn hợp glucose & fructose là đường nghịch đảo.

• Nguồn thu nhận enzyme:chiết tách từ môi trường

nuôi cấy saccharomyces spp, saccharomyces

cerevisiae.

Enzym invertase (tt)

• Ứng dụng của enzym invertase:

Sản xuất đường nghịch đảo.

• Ưu khuyết điểm của việc sử dụng enzym invertase.

Ưu điểm: không có sản phẩm phụ Khuyết điểm: giá đắt.

Hệ thống enzyme khác trong công nghệ chế biến carbohydrate

Enzyme Lactase

• Tên gọi khác: β galactosidase

• Kiểu phản ứng: thủy phân lactose thành

glucose và galactose

• Nguồn thu nhận enzyme:môi trường nuôi cấy

nấm mốc Asp Niger, Asp orizae.

Hệ thống enzyme khác trong công nghệ chế biến

Enzym lactase(tt)

Ứng dụng enzym lactase

• Xử lý dịch sữa trong quá trình chế biếnfromage

• Sản xuất sữa có hàm lượng lactose thấp

• Giảm sự kết tinh lactose trong sữa

Enzym Cellulase

• Kiểu phản ứng

Cellulose - (βGlucose)n

• Enzyme cellulase thuỷ phân liên kết β 1-4 glucosid

• Nguồn thu nhận :

Môi trường nuôi cấy Asp.Niger, Trichoderma viride Kiểu nuôi cấy : Bề mặt (Asp Niger)

Bề sâu (Trichoderma Viride)

Ứng dụng enzym cellulase

• Kết hợp với pectinase hay α glucane để chế biến bia,

nước trái cây, rượu vang.

• Thay đôỉ cấu trúc cuả sản phẩm.

• Tăng sự chiết xuất các sản phẩm tự nhiên

• Trong công nghiệp sản xuất giấy dùng để hỗ trợ tẩy mực, tẩy trắng giấy.

• Trong công nghiệp dệt: tạo bông, đánh bóng vải trong giai đoạn hoàn tất may mặc.

• Trong xử lý môi trường: phân hủy các rác thải hữu cơ dễ dàng.

• Dùng để xử lý lông còn xót trên bề mặt vải

Enzyme protease thủy phân chất đạm

• Enzyme protease là các esterase thuỷ phânprotein

• Protease thuỷ phân liên kết peptid của cácprotein

• Sản phẩm tạo thành: peptid, amino acid

• Mã số enzyme (EC:3.4.)

endopeptidase: EC :3.4 21->24Exopeptidase : EC :3.4 11->19

Phân loại protease

• Dựa vào sự phân bố:

 Protease nội bào

 Protease ngoại bào

• Dựa vào nguồn thu nhận:

Protease động vật

Protease thực vật

Protease vi sinh vật

Phân loại protease

 protease acid

 protease kiềm.

 protease trung tính.

Phân loại protease

Phân loại protease

 Endoprotease.

 Exoprotease.

Giới thiệu chung về Endoprotease

Giới thiệu chung về Endoprotease

• Bốn nhóm endoprotease chính :

°Serin protease (EC:3.4.21)

°Cystein protease (EC:3.4.22)

°Aspartic protease (EC:3.4.23)

°Metallo protease (EC:3.4.24)

Giới thiệu chung về Exoprotease

• Mã số enzyme :EC: 3.4.11 19

• Đa số là enzyme nội bào.

• Enzyme cắt hai đầu mạch polypeptid.

Serine protease

• 1.Trypsin (EC: 3.4.21.4)

• 2.Chymotrypsine (EC:3.4.21.1)

• 3.Subtilisin (EC:3.4.21.)

• Trypsinogen(zimogen) không hoạt động

• Enzym enterokinase (của ruột) hoạt hoá trypsinogen thành trypsin.

• Tâm hoạt động :gốc serin (vị trí 29 & 46)

• Tính đặc hiệu của enzyme:

Cắt liên kết peptid có nhóm carboxyl là Arg & Lys

• Ứng dụng :

Chế biến men tiêu hoá

Thuỷ phân protein  pepton pancreaticDùng làm mềm thịt

Phân huỷ máu đông

Subtilisine

Cắt liên kết peptid, không có tính chuyên biệt cao.

Là enzyme chịu nhiệt : >70 0 C enzyme vẫn còn hoạt động.

pH < 5 : Enzyme mất tính chịu nhiệt.

pH = 4 : Enzyme bị bất hoạt.

Ứng dụng :

• Thuỷ phân protein đậu nành đậu nành hoàtan

• Thuỷ phân protein cá nước mắm

• Thuỷ phân nguyên liệu giàu protein; Gíup thayđổi tính chất tạo nhũ, tạo bọt của protein

Thiol protease

Thiol protein(cystein protease)

• Papain

• Bromelin

Papain

Nhiệt độ tối ưu:400C -500C.

Tác nhân hoạt hoá bromelin:ion kim loại

Pepsin (EC: 3.4.4.1 )

• Nguồn thu nhận: Niêm mạc dạ dày, dịch vị

• Tính chất: Enzyme đơn cấu tử ( một mạchpolysaccharid gồm 329 gốc aa)

• Trọng lượng phân tử: 34.000-35.000

• pH tối ưu: 1,5 – 2 ; Pi =2

Chymosin –Renin

(EC: 3.4.4.1 )

• Nguồn thu nhận: trong ngăn thứ tư của dạ dày

bê và nằm trong màng nhầy của dạ dày

• Tên gọi khác của renin: men đông tụ sữa,

labenzyme, chymoza, chymosine

Chymosin –Renin (tt)

• Tính chất:

• Hoạt tính thuỷ phân giới hạn

• Sản phẩm sau thuỷ phân : peptid

• pH hoạt động: 3-3,5

• Tính đặc hiệu : Tương tự pepsin

• Có khả năng đông tụ sữa

Chymosin –Renin(tt)

• Ứng dụng

Điều chế men tiêu hoá

Tác nhân làm đông tụ sữa chế biến fromage

Thuỷ phân protein tạo sản phẩm giàu đạm

Aspergillus protease

• Nguồn thu nhận: Asp Oryzae, Asp spp.

• Enzyme thương mại chứa 3 loại protease:

Serin protease

Aspartic proteaseMetallo protease

Aspergillus protease

• Tính chất:

 pH hoạt động của enzym hỗn hợp khá rộng

 pH tối ưu của: Serin protease:7,5-9

Metallo protease:6-8 Asp protease: 4-5

• Ứng dụng :

 Chế biến tương, chao, nước tương,

 Dùng trong công nghệ chế biến bánh mì.

Metallo protease

1 Thermolysine

– Nguồn thu nhận: Bacillus stearothermophilus.

– Tính chất:

 Enzym chịu nhiệt.

 Hoạt tính ổn định ở nhiệt độ cao

( 80 0 C) khi có ion Ca +2

 pH tối ưu : 7-9

 Bị bất hoạt bởi EDTA, citrate phosphate.

Metallo protease

2.Neutral protease

– Nguồn thu nhận: Bacillus amiloliquefacien

– Tên thương mại : neutrase

– Tính chất:

Enzym kém bền vối nhiệt (,<500C)

pH tối ưu : 6-8

Neutral protease

– Ứng dụng

 Nấu bia: thuỷ phân protein đại mạch.

 tăng nồng độ nitơ hoà tan

 Thuỷ phân thịt và gelatin

 Cải thiện tính chất bột nhào của bánh mì và bánh quy

 Nâng cao hàm lượng protein trong quá trình chế biến sữa đậu nành.

Ứng dụng

- Sản xuất nước chấm theo pp hóa giải

- Sản xuất nước chấm theo pp lên men

Vài ứng dụng của enzim

Enzym amilase

Lĩnh vực sử dụng Enzim được sử dụng

của vi khuẩn của nấm mốc Sản xuất bánh mì

Công nghiệp bánh kẹo

Công nghiệp rượu

+ + + + + + +

+ +

Công nghiệp chế biến cá

Công nghiệp chế biến sữa

+

động vật động vật

+ + + + + + + + + + +

+ + + +

+ + + +

Enzyme pectinase

• Sản xuất rượu vang

• Sản xuất nước quả và nước uống không rượu

• Nước quả cô đặc, mứt nhừ, mứt đông

• Nước giải khát

• Cà phê và cà phê hoà tan

PHẦN ỨNG DỤNG CÁC SẢN PHẨM THỦY PHÂN

SẢN PHẨM TINH BỘT THỦY PHÂN

• Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm do những tính chất lý hóa của chúng

ứng dụng của tinh bột

• Tinh bột thường được dùng làm chất tạo độ nhớt sánh cho thực phẩm dạng lỏng, là tác nhân làm bền cho

thực phẩm dạng keo, là các yếu tố kết dính và làm

đặc tạo độ cứng và độ đàn hồi cho nhiều thực phẩm

• Trong công nghiệp, ứng dụng tinh bột để xử lí nước thải, tạo màng bao bọc kị nước trong sản xuất thuốc

nổ nhũ tương, thành phần chất kết dính trong công

nghệ sơn.

Các enzyme thủy phân tinh bột

Enzym khác gồm α-amylase từ nấm mốc, α-amylase không bền nhi ệt và β-amylase

• α-amylase bền nhiệt, glucose-isomerase (GI), glucoamylase (GA): những enzym được sử

dụng nhiều nhất

• Amylase: một trong những hệ enzym quan trọng nhất trong ngành công nghệ sinh học hiện nay

• β-amylase

– Thủy phân từ đầu không khử của mạch amylose, amylopectin và glycogen, cắt lần lượt các liên kết glucoside tạo ra maltose.

– Có nguồn gốc thực vật.

– pH opt cao hơn α- amylase

• Glucoamylase

– Enzym thủy phân liên kết α -1,4 và α -1,6

glucoside từ đầu không khử cuả mạch tinh bột tạo ra đường glucose.

– Thu nhận từ nhiều nguồn như thực vật, động vật

và vi sinh vật.

• Các enzym khác

– α –glucosidase: thủy phân rất tốt đường đôi và

các oligosaccharide – Pullulanase, exopullulanase, isoamylase sử dụng

kết hợp với β-amylase, GA trong sản xuất các sản phẩm siro hay đường glucose

Thủy phân tinh bột bằng Các sản phẩm đường ngọt từ tinh bột

enzyme-Các sản phẩm đường ngọt từ tinh bột là nhữngsản phẩm của quá trình thủy phân tinh bột

bằng acid hoặc enzym

Ứng dụng: đường glucose tinh thể hoặc dung dịch (D-glucose), siro giàu fructose hoặc

fructose tinh thể, siro glucose và maltose,

maltodextrin, cyclodextrine

Phân loại dựa trên chỉ số DE –dextrose

equivalent

 Chỉ số DE là đại lượng chỉ khả năng khử so với

chuẩn là 100% ở đường glucose (dextrose) hay là

số gam tương đương D-glucose trong 100g chất khô của sản phẩm.

• Đường glucose: chứa ít nhất 99,5% glucose.

• Các dạng siro: DE trong khoảng 20-99,4

Phương pháp thủy phân tinh bột

• Thủy phân tinh bột bằng acid

• Thủy phân tinh bột bằng enzym

• Phương pháp acid-enzym

Phương pháp acid

• Dùng acid để thủy phân tinh bột

• Tinh bột thủy phân thành D-glucose dưới tácdụng của xúc tác của acid

• Dùng để sản xuất maltodextrin và vài loại

xiro có DE khoảng 40

• Hạn chế

– Hiệu suất thủy phân thấp

– Dung dịch sau thủy phân bị nâu hóa mạnh và

nhiều tạp chất.

– Ảnh hưởng môi trường

Phương pháp enzym

• Dùng enzym để thủy phân tinh bột, dùng

trong công nghiệp sản xuất đường glucose vàfructose

– Giai đoạn hồ hoá và dịch hoá bằng α- amylase

– Giai đoạn đường hoá bằng glucoamylase,

α-amylase …

Phương pháp acid-enzyme

• Kết hợp hai phương pháp acid và enzyme

• Giai đoạn đầu dùng acid, giai đoạn sau dùngenzyme

• Thủy phân bằng acid đến DE qui định 8-12%, sau đó trung hoà, và thủy phân bằng enzyme đến khi đạt DE 97-98%

Ưu điểm của phương pháp sản xuất đường

glucose bằng phương pháp enzym

• Hiệu suất đường hoá cao hơn Phương pháp

acid hiệu suất 87%, phương pháp enzym 98%.

• Thời gian kết tinh ngắn hơn, kết tinh tốt hơn, khẩu vị ngon hơn.

• Đầu tư vào thiết bị ít hơn, thiết bị ít phức tạp hơn, vì không cần thiết bị chống acid.

• Nồng độ đường và độ tinh khiết cao hơn

(phương pháp acid glucose chiếm 92%, phương pháp enzym 98%)

Sản xuất maltodextrin từ tinh bột

Theo định nghĩa của Cơ Quan thực phẩm và

thuốc của Hoa Kì (FDA): maltodextrin là các loạipolysaccharide không ngọt, có công thức

(C6H10O5)n.H2O, là sản phẩm thủy phân tinh bộtkhông hoàn toàn (bằng enzym hoặc acid), có

đương lượng dextrose (DE) từ 4-20

Đặc tính của maltodextrine phụ thuộc vào chỉ

số DE nhận được

Sản phẩm dạng bột hoặc dạng dung dịch đậmđặc

Là phụ gia cho thực phẩm và dược phẩm an

toàn cho người dùng trực tiếp

Đặc tính lý hoá của maltodextrine

Sơ đồ 1 Biến đổi tính chất lý hoá của maltodextrin theo giá trị DE

Bảng 3 Một số tính chất của các sản phẩm maltodextrine

Quá trình sản xuất

• Lựa chọn nguyên liệu

• Quá trình thủy phân

• Thu nhận sản phẩm

Nguyên liệu

• Tinh bột : nguồn nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, chất lượng phù hợp cho sản xuất maltodextrin

• Chất lượng tinh bột ban đầu càng tinh, hàm

lượng protein càng ít, chất lượng dịch thủy

phân càng tốt, ít bị sẫm màu, tinh chế càng dễdàng

Quá trình thủy phân

• Nguyên liệu → Hồ hóa (nhiệt độ cao >1000C)

→ thủy phân

• Hiện nay, acid HCl vẫn được sử dụng để sản xuất maltodextrin và có những hạn chế:

– độ nhớt dung dịch sản phẩm thu được cao

– Sản phẩm ngọt quá mức yêu cầu

– Nhiều tạp chất

– Sẫm màu