enzyme trong nghiền ẩm tinh bột

Phương pháp nghiền ẩm bắp đòi hỏi một chuỗi các quy trình rất phức tạp, được mô tả trong phần 5.2.Trong đó, quan trọng nhất là 3 bước liên quan đến enzyme: thủy phân tinh bột thành các đ

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI

ENZYME TRONG NGHIỀN ẨM

TINH BỘT

MỤC LỤC

Danh mục hình

Hình 82 Sơ đồ các bước tiến hành chính của quá trình nghiền bắp ẩm .… 5 Hình 83 Cấu trúc bậc 3 của α-amylase …10 Hình 84 Cấu trúc bậc 3 của enzyme xúc tác glucoamylases của A.awamori dưới vật

kính 100

12

Hình 86 Cấu trúc bậc 3 của enzyme glucose isomerase của S.rubiginosus với glucose, Mg + ,

Mn + , phối tử (1XIF) 14

Danh sách nhóm

STT Họ và tên sinh viên MSSV Công việc

1 Lương Thiện Vy 2008110367 1, 2, 3.1, 3.2

2 Tô Thị Xuân 2008110370 3.3, 4.1, 4.2

3 Nguyễn Thị Kim Tuyền 2008110343 4.3, 5, 6, 7 Tổng hợp

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Các quá trình hóa học xảy ra trong hệ thống sống là những phản ứng có hiệu quả cao nhất

đó là nhờ tác dụng xúc tác của enzyme Enzyme là những chất xúc tác sinh học có bản chất protein có đầy đủ tính chất của một chất xúc tác hóa học, ngoài ra còn có những tính chất ưu việt hơn như: có hiệu suất xúc tác rất cao ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường, có tính đặc hiệu cao Các tính chất này vẫn được bảo tồn khi tách enzyme ra khỏi hệ thống sống, hoạt động trong điều kiện in vitro Vì vậy, enzyme ngày càng được sử dụng rộng rãi trong thực tế, với quy

mô ngày càng lớn, dẫn đến việc hình thành và phát triển ngành công nghệ sản xuất enzyme, công nghệ sản xuất các thiết bị có cấu tử enzyme như biosensor, thận nhân tạo và cả các biochip Việc sử dụng enzyme không chỉ có ý nghĩa kinh tế mà còn giải quyết những vấn đề môi trường để khai thác và sử dụng enzyme có hiệu quả cần có những kiến thưc cơ bản về enzyme

Là một khía cạnh của ngành công nghệ enzyme, việc sử dụng enzyme trong công nghệ nghiền

ẩm tinh bột có nguồn gốc từ sắn (mì) hay ngô (bắp) cũng mang lại giá trị cao Trong phạm vi bài báo cáo này, chúng tôi giới thiệu tới bạn đọc những nội dung sau:

1. Giới thiệu một số enzyme được sử dụng trong quá trình nghiền ẩm các loại hạt và quy trình tổng quát để chuyển đổi từ bắp sang dịch chiết frutose cao nồng độ (HFCS)

2. Giới thiệu một cách cụ thể về nguồn gốc, cấu trúc và sử dụng trong công nghiệp của

–Amylase, Glucoamylase , Glucose isomerases.

3. Hướng sử dụng nguyên liệu mới là tinh bột sắn thay thế cho tinh bột bắp trong sản xuất sản phẩm

4. Kỹ thuật mới trong sản phẩm nhiên liệu etanol

Trong khuôn khổ tìm hiểu của nhóm để phục vụ cho quá trình học tập và dịch từ tài liệu Tiếng Anh nên chưa thể trình bày một cách khoa học và thấu đáo Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến cũng như phản hồi để bài báo cáo được hoàn thiện hơn nữa Cám ơn sự hướng dẫn của Th.S Đào Thị Mỹ Linh và sự tham gia của các bạn đã giúp nhóm hoàn thành bài viết!

II. NỘI DUNG

1. Giới thiệu

Trong phương pháp nghiền ẩm, các hạt ngũ cốc được ngâm và sau đó được tách riêng ra các thành phần bằng cách nghiền và ly tâm Quy trình này sử dụng vận tốc lớn nhất để chuyển đổi các nguyên liệu nông nghiệp thô thành các sản phẩm cần thiết cuối cùng Hầu hết phương pháp ướt được tiến hành ở Trung Tây Hoa Kì, ở các bang của Iowa, Illinois và Ấn Độ - nơi bắp được sản xuất Các sản phẩm chủ yếu làm ở Mĩ và được bán cho các khách hàng bên ngoài công nghiệp nghiền bắp, gồm xuất khẩu, trong đó 106 tấn/năm trên cơ sở nguyên liệu khô hoặc tinh khiết vào năm 2002 là ethanol, dịch chiết bắp fructose nồng độcao (HFCS_high-fructose corn syrup ), tinh bột và dịch chiết glucose

Phương pháp nghiền ẩm bắp đòi hỏi một chuỗi các quy trình rất phức tạp, được mô tả trong phần 5.2.Trong đó, quan trọng nhất là 3 bước liên quan đến enzyme: thủy phân tinh bột thành các đoạn maltooligosaccharide ngắn hơn (dextrin) bằng enzyme α - amylase, thủy phân tiếp dextrin thành glucose bằng enzyme glucoseamylase và có thêm một lượng enzyme pullulanase; và tiến hành đồng phân hóa glucose sao cho hỗn hợp glucose và fructose ở trạng thái cân bằng bằng enzyme glucose isomerase Do các quy trình này có quy mô rất lớn nên các enzyme trên được sản xuất với trọng lượng lớn hơn so với các enzyme khá, giống với các enzyme protease và amylase được sử dụng trong tổng hợp chất tẩy rửa

Bên cạnh đó còn có nhiều loại enzyme khác như enzyme β-amylase và maltogenic α-amylase được sử dụng cho các quy trình phụ nhưng không được mô tả ở đây

2. Quy trình tổng quát để chuyển đổi từ bắp sang dịch chiết frutose cao nồng độ (HFCS)

Có 6 bước chính trong quy trình chuyển đổi từ bắp sang tinh bột bằng phương pháp nghiền ướt và 5 bước để chuyển đổi tinh bột sang HFCS (hình 82)

(1) Ngâm hạt bắp trong dung dịch SO2 để làm mềm hạt

(2) Nghiền sơ các hạt để loại bỏ phần mầm-phần chứa dầu ra khỏi tế bào, chất xơ và protein

(3) Phân tách xoáy để tách mầm

(4) Nghiền kĩ để tách tinh bột ra khỏi chất xơ và protein

(5) Sàng lọc để lấy chất xơ ra khỏi protein và tinh bột

(6) Ly tâm để tách protein ra khỏi tinh bột

(7) Thủy phân tinh bột thành dextrin bằng enzyme α-amylase

Hình 82 Sơ đồ các bước tiến hành chính của quá trình nghiền bắp ẩm

(8) Thủy phân dextrin bằng enzyme amylase và thường được bổ sung thêm một lượng enzyme pullulanase để tạo đường glucose

(9) Đồng phân hóa để tạo hỗn hợp glucose-fructose bằng enzyme glucose isomerase

(10)Tách fructose ra khỏi glucose và các sản phẩm khác bằng phương pháp sắc ký lỏng

(11)Trộn fructose với một lượng glucose và các sản phẩm phụ để tạo HFCS 55 (55% fructose)

Hình 82 (tiếp tục)

2.1. Ngâm bắp

Bắp vàng loại 2 được trồng chủ yếu ở Trung Tây Hoa Kì sẽ được ngâm trong các bể lớn có chứa dung dịch SO2 từ 24-36h (bước 1) Quy trình lên men sản xuất lactic xảy ra trong các bể Các bể được sắp xếp bằng cách dựa vào độ dài thời gian bắp đã được ngâmmà tức là bắp đã ngâm trong thời gian ngắn nhất sẽ được ngâm trong bể có dung dịch cũ nhất và ngược lại, bắp đã ngâm trong thời gian lâu nhất sẽ ngâm trong bể có dung dịch mới nhất; và dung dịch ngâm sẽ lần lượt cho đi qua từ bể chứa bắp ngâm thời gian dài nhất tới bắp ngâm thời gian ngắn nhất Mục đích của việc ngâm là để làm mềm hạt(chứa 10-15% nước) Ngoài ra, ngâm còn làm

rã các thành phần trong hạt, trong đó có chứa mầm, một ít dầu và protein; nội nhũ – thành phần lớn nhất của hạt chứa chủ yếu là tinh bột mịn và phần vỏ( trong đó bao gồm chủ yếu chất xơ và

protein) Dung dịch ngâm được hiểu là nước ngâm hoặc rượu ngâm bắp là một chất bổ sung có giá trị cô quá trình lên men vì nó rất giàu vitamin và các yếu tố tăng trưởng

2.2. Nghiền thô và loại bỏ mầm bằng phương pháp tách xoáy

Ở phương pháp nghiền thô (bước 2), bắp đã ngâm mềm sẽ được tiến hành nghiền để thô phá vỡ các thành phần mà đảm bảo không làm ảnh hưởng đến mầm Sau đó, mầm được tách theo các xoáy (bước 3) vì mầm nhẹ hơn so với các thành phần của hạt Trong mầm có một lượng dầu vì thế sẽ tiến hành ép rồi sau đó tinh chế chúng; phần còn lại của mầm là thành phần chứa nhiều protein được nhà sản xuất kết hợp với các loại thức ăn hoặc bột giàu gluten

2.3. Nghiền mịn và loại bỏ xơ bằng phương pháp sàng lọc

Phương pháp nghiền mịn các thành phần còn lại của hạt (bước 4) được thiết kế sao cho ta tách được lượng tinh bột và protein ra khỏi xơ là nhiều nhất Tiến hành lọc trên các tấm ngăn (bước 5) loại bỏ xơ, phần còn lại đa số là vỏ bắp, tế bào tinh bột và protein vì chúng là thành phần có khối lượng lớn Phần xơ có chứa một lượng nhỏ tinh bột và protein nhưng không dễ dàng tách được nó vì thế phần xơ thường được kết hợp với thức ăn và bột chứa gluten trong bước tiếp theo

2.4. Ly tâm và rửa để phần riêng tinh bột ra khỏi protein

Tinh bột và protein là hai thành phần đều không tan trong nước, do đó ta có thể tách chúng bằng phương pháp ly tâm (bước 6) Tinh bột được rửa nhiều lần bằng cách thêm nước vào liên tiếp mỗi lần rồi khử nước trong thiết bị phân tách xoáy.Cách này mang lại độ tinh khiết lên đến 98%, các tạp chất còn lại chủ yếu được chứa bên trong chính các hạt tinh bột

Protein hoặc gluten được kết hợp cùng với phần xơ và dầu trong mầm sử dụng chủ yếu trong hai sản phẩm sau: bột gluten và thức ăn chứa gluten với lượng protein khác nhau

Tinh bột có thể được sấy khô và được bán ngay trong thời điểm này vì chúng đã được biến đổi bằng các phương pháp hóa học hoặc được xử lí tiếp tục để tạo dextrin, glucose, ethanol và HFCS Lượng tinh bột có thể được thủy phân acid để tạo một loạt các dịch bắp; giá của mỗi sản phẩm được quyết định bởi nhà sản xuất

2.5. Thủy phân bằng enzyme amylase (hóa lỏng)

Trong tinh bột, dạng amylopectin chiếm khoảng 70 - 90% khối lượng Dạng này do các α-glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4-glicozit và α-1,6-glicozit Do đó dạng amylopectin

có mạch cacbon phân nhánh Và vì dạng amylopectin chiếm đa số nên tinh bột có dạng hạt Dưới tác dụng của enzyme amylase, tinh bột bị thuỷ phân do các liên kết glucoside bị phân cắt, giai đoạn này gọi là giai đoạn dịch hóa Kết quả thu được là các đoạn dextrin ngắn

Hai lý do cho việc sử dụng một α-amylase: (1) là để làm cho các chuỗi tinh bột ngắn hơn để chúng sẽ không tạo thành một gel nếu nhiệt độ giảm, (2) là tạo ra nhiều đoạn cuối chuỗi hơn vì điều này tạo điều kiện cho việc sử dụng enzyme glucoamylase trong các bước tiếp theo do

enzyme này phân cắt các phân tử glucose từ đoạn cuối của các chuỗi Các mô tả chi tiết này sẽ được trình bày trong mục 2

Ở thời điểm này nhà sản xuất có thể bán dextrin như một sản phẩm thương mại sau khi được tiến hành sấy khô hoặc tiếp tục xử lý chúng trong các mục trong phần 2

2.6. Thủy phân bằng enzyme glucoamylase (đường hóa)

Glucoamylase, thường được gọi là amiloglucosidase hoặc AMG trong công nghiệp, và pullulanase được bổ sung vào hỗn hợp dextrin – chứa từ 1-> 20 glucose liên kết với nhau bằng liên kết 1,4-glycoside (bước 8) và thỉnh thoảng sẽ có một số điểm nhánh liên kết bằng liên kết 1,6-glycoside Chỉ có enzyme glucoamylase phá vỡ các liên kết chính trong chuỗi và cả hai enzyme (glucoamylase và pullulanase) phá vỡ các điểm nhánh Quá trình thủy phân tạo đến 96%

số lượng glucose, 4% dextrin còn lại cùng với các sản phẩm khác

Mô tả chi tiết quá trình này sẽ được trình bày trong mục 2.3 và 2.4 Các dịch glucose được tiến hành siêu lọc hoặc lọc để loại bỏ các chất rắn; còn các tạp chất hòa tan, và muối thêm vào trong bước bổ sung enzyme α-amylase và được hình thành trong sự thay đổi pH ở bước bổ sung enzyme glucoamylase được loại bỏ bằng cacbon và trao đổi ion Nhà sản xuất sẽ lựa chọn thời điểm để đưa dịch glucose vào quá trình lên men tạo ethanol hoặc các sản phẩm khác.Dịch glucose được bốc hơi và kết tinh sẽ tạo ra dạng rắn gọi là dextrose trên thị trường Hoặc sẽ được tiến hành các bước để chuyển đổi sang HFCS như mô tả ở bước 9 (mục 2.1)

Dịch glucose sau đó sẽ được tiến hành lên men bằng nấm men Hỗn hợp lên men lỏng được chưng cất liên tục trong 3 cột, nồng độ ethanol sẽ tăng dần bằng cách tách nước, các tế bào nấm men và các chất hòa tan Vì thế ethanol cuối cùng gần như đạt được tinh khiết hoàn toàn.Hỗn hợp này có thể được trộn với xăng để làm nhiên liệu cho ôtô, cung cấp như nguồn nguyên liệu thô cho các sản phẩm công nghiệp hoặc sử dụng trong thức uống có cồn

2.7. Đồng hóa bằng enzyme glucose isomerase

Dịch glucose được chuyển qua cột chứa enzyme isomerase cố định trong các hạt xốp (bước 9) Vì enzyme này có giá thành cao hơn nhiều hơn so với α-amylase hoặc glucoamylase nên nó phải được cố định để sử dụng trong thời gian dài hơn là bị hòa tan trong dịch đường Tuy nhiên, enzyme glucose isomerase sẽ bị mất hoạt tính nếu sử dụng trong thời gian vì vậy các cột thường được đặt sát nhau sao cho cột chứa glucose isomerase mới và có hoạt tính cao nhất thì có tốc độ dòng chảy qua cột cao nhất ; còn cột chứa glucose isomerase cũ nhất sẽ có tốc độ dòng chảy thấp nhất Việc tiến hành trên được thực hiện sao cho lượng fructose là như nhau

Hỗn hợp đường sản xuất ở các bước trước đó có thể được truyền qua một cột có chứa các hạt trao đổi ion axit mạnh với Ca2+ ( Bước 10 ) Tách fructose ra khỏi hỗn hợp glucose và các sản phẩm khác, với lượng đường giàu fructose, có hơn 90% là đường fructose, thoát khỏi cột cuối cùng Hỗn hợp này có thể được cô đặc và kết tinh để được các tinh thể Fructoza tinh khiết Một

phần của fructose không bị kết tinh được đưa đến bước tiếp theo Glucose và các sản phẩm khác

có thể được tái chế để bước trước đó hoặc đưa vào Bước 11

Fructose mà không bị kết tinh đem pha trộn với glucose và các sản phẩm khác từ bước 8, 9,

và 10 để mang lại đường có khoảng 55% fructose ( Bước 11 ) Các bước khác nhau sau đó để hoàn thành việc tạo ra HFCS 55, Gồm trao đổi ion để loại muối, decolorization với than và cô đặc bốc hơi nước để mang lại nồng độ đường từ 45% đến hơn 70%

HFCS 55 và sucrose hầu như giống hệt nhau về tính ngọt, hương vị; HFCS 55 có độ ngọt cao hơn sucrose, rẻ hơn so với sucrose và chiếm hơn một nửa các chất ngọt tự nhiên của thị trường Mỹ

3. -Amylase

3.1. Nguồn gốc và tính chất enzyme

-amylase (1,4-a-D-glucan glucanohydrolase, E.C 3.2.1.1) được tìm thấy trong thế giới sống Là enzyme nội bào Có khả năng cắt ngẫu nhiên các liên kết α (1-4) glycosidic trong tinh bột, glycogen và maltooligosaccharides để tạo ra maltooligosaccharides ngắn hơn và đường glucose, do đó α -amylases được phân loại là endo-hydrolases Tỷ lệ thủy phân là nhanh hơn khi các liên kết đặt cách xa cuối chuỗi Điều này là do α -amylase hoạt động là khoảng hở không có rào cản ở hai đầu, do đó, chuỗi chất nền có thể được ràng buộc với nhau một liên kết α (1-4) glycosidic giáp với điểm enzyme phân cắt Sản xuất bắt buộc gần cuối chuỗi là ít có khả năng từ

dư lượng glucosyl ít bị ràng buộc, dẫn đến năng lượng liên kết thấp hơn và do đó hằng số cân bằng thấp hơn còn chuỗi maltooligosaccharide được thủy phân nhanh hơn với giá trị cao hơn của vmax và giá trị thấp hơn của KM Dễ tan trong rượu loãng, dung dịch muối và nước

Nói chungα-amylase có thể cắt α (1-4) glycosidic nhưng không thể cắt α (1-6) glycosidic ở chỗ mạch nhánh trong phân tử

Bacillus amyloliquefaciens là một loài vi khuẩn trong chi Bacillus đang được sử dụng trong

công nghiệp α- amylasetừBacillus amyloliquefaciens thường được sử dụng trong thủy phân tinh bột, những phân tử còn lại sau sự ủ là 62- α –maltosylmaltotriose (một dư lượng maltosyl liên kết thông qua một α -glycosidic liên kết với nhóm 6-OH của dư lượng glucosyl giữa maltotriose) Điều này cho thấy rằng 3 liên kết α –glycosidic.α -amylase là một metaloenzyme Mỗi phân tử α-amylase đều có chứa Ca2+ tham gia vào sự hình thành và ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme, duy trì hoạt động của enzyme Ca2+ cần thiết cho sự hoạt động và ổn định

3.2. Cấu trúc

α–amylase chiếm đa số trong họ hydrolase Mặc dù hầu hết các enzyme trong họ hydrolase cắt ngẫu nhiên liên kết α (1-4) glycosidic hoặc trong một vài trường hợp liên kết α- (1-6) giữa lượng dư glucosyl (EC 3.2.1 -.), một số là glucosyltransferases (EC 2.4 0,1 -.) và một synthase trehalose (EC 5.4.99.16) Xem xét họ glycoside hydrolase được phân loại trên cơ sở tương tự trong trình tự aa (cấu trúc chính), sau đó các enzyme khác nhau đã được phát hiện theo thời gian