ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM VÀ SẢN XUẤT THỨC ĂN CHĂN NUÔI

Tinh bột là nguồn năng lượng chủ yếu trong chế độ ăn của con người và động vật. Tinh bột chứa 2 polymer: Amylose, bao gồm các liên kết α1,4osidic, thành phần tinh bột nhỏ (khoảng 2533%) Amylopectin, có mức độ trùng hợp cao hơn amylose, chứa các liên kết phân nhánh α1,6 Tinh bột là nguồn năng lượng chủ yếu trong chế độ ăn của con người và động vật. Tinh bột chứa 2 polymer: Amylose, bao gồm các liên kết α1,4osidic, thành phần tinh bột nhỏ (khoảng 2533%) Amylopectin, có mức độ trùng hợp cao hơn amylose, chứa các liên kết phân nhánh α1,6 Tinh bột là nguồn năng lượng chủ yếu trong chế độ ăn của con người và động vật. Tinh bột chứa 2 polymer: Amylose, bao gồm các liên kết α1,4osidic, thành phần tinh bột nhỏ (khoảng 2533%) Amylopectin, có mức độ trùng hợp cao hơn amylose, chứa các liên kết phân nhánh α1,6

Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TPHCM Khoa Kỹ Thuật Hóa Học – Bộ môn Công Nghệ Sinh Học

BÁO CÁO CƠ SỞ CÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Đề tài: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC

TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM VÀ SẢN

XUẤT THỨC ĂN CHĂN NUÔI

GVHD: Huỳnh Ngọc Oanh

Danh sách thành viên nhóm:

•Từ Bảo Trân 1513610

•Mai Thảo Nguyên 1512204

•Huỳnh Công Duy 1510449

•Kiều Nhật Văn Khang 1511470

•Phạm Tuấn Anh 1410124

β- Galactosidase

Tinh bột là nguồn năng lượng chủ yếu trong chế độ ăn của con người và động vật.

Tinh bột chứa 2 polymer:

-Amylose, bao gồm các liên kết α-1,4-osidic, thành phần tinh bột nhỏ (khoảng 25-33%)

- Amylopectin, có mức độ trùng hợp cao hơn amylose, chứa các liên kết phân nhánh α-1,6

Ứng dụng trong Thực phẩm Biến đổi tinh bột

Các nguồn chính của tinh bột là ngô, khoai tây, lúa

mì, lúa mạch, gạo, sắn, và lúa miến

Tinh bột được sử dụng để làm

thức ăn và đường siro như

maltodextrins, glucose, dextrose

(glucose tinh khiết), fructose,

maltose, và dẫn xuất hydro hóa

(ví dụ sorbitol, mannitol)

Biến đổi tinh bột

Quy trình công nghiệp đầu tiên chế biến tinh bột là sự thủy phân bằng cách xúc tác acid Quá trình xảy ra ở 140-150°C trong 5 – 8 phút trong điều kiện pH 1.5-2.0 (điều chỉnh bằng HCl)

Biến đổi tinh bột

Sau này, để tránh tạo sản phẩm phụ, đã sử dụng depolymerizing

α-amylase từ Bacillus amyloliquefaciens

- Hóa lỏng enzyme ở pH 6.0-6.5 trong 5 phút ở 85°C

- Sau đó, phản ứng được làm nóng ở 140°C trong 5 phút

- Làm lạnh đến 85°C → đưa ra đợt enzyme thứ hai

- Bổ sung enzyme thứ hai → hóa lỏng tinh bột

Tùy thuộc vào các sản phẩm cần được thu nhận (dextrose, glucose tinh khiết, maltose, maltodextrins) mức độ thủy phân được mô tả bằng giá trị DE (tương đương dextrose: tỷ lệ năng lượng giảm, thể hiện dưới dạng dextrose, tới tổng công suất giảm tương ứng đến chất khô) từ 12 đến 30.

D-Biến đổi tinh bột

Phô mai và các sản phẩm thực phẩm chế biến khác từ sữa là một quá trình biến đổi có liên quan đến enzyme và vi khuẩn để bảo quản sữa Ngày nay, quá trình chuyển đổi sữa công nghiệp được tinh chỉnh để cung cấp sản phẩm một cách liên tục.

Biến đổi tinh bột

Ngành công nghiệp sữa

Các doanh nghiệp công

nghiệp chủ chốt trong lĩnh

vực này là Chr Hansen,

Danisco Rhodia và DSM

Các vi khuẩn lactic acid bắt

đầu sản xuất bởi các công ty

này được sử dụng rộng rãi

Điều quan trọng là, cho đến

nay những dòng vi khuẩn

này chưa trải qua bất kỳ kỹ

thuật di truyền nào.

Trong quá trình lên men

khối sữa, casein bị tách

khỏi ion canxi dẫn tới sự

hình thành cấu trúc gel để

tạo ra chất đông cho sự

chế tạo pho mát

Biến đổi tinh bột

Ngành công nghiệp sữa

Sữa – Enzyme đông tụ

Có 3 loại enzyme thực

hiện quá trình này

- Rennet động vật, chiết

xuất chủ yếu từ dạ dày

con bê (abomasum)

- Vi khuẩn rennet

- Tái tổ hợp chymosin

Vào cuối những năm 1990 ở Anh, chymosin tái tổ hợp chiếm 70% thị trường Tuy nhiên, do ý kiến chống GMO, áp lực của người tiêu dùng, con số này đã giảm xuống còn khoảng 30% Ở Pháp, việc sử dụng tái tổ hợp chymosin rất hạn chế và vi khuẩn rennet chiếm ít hơn 15% thị trường.

Biến đổi tinh bột

Ngành công nghiệp sữa

Sữa – Enzyme đông tụ

Lipase xúc tác quá trình thủy phân triglyceride chất béo thành diglycerides, monoglycerides, acid béo

và glycerol Lipase từ

Rhizomucor miehei và Aspergillus sp được sử

dụng cho mục đích này Các enzyme này đặc biệt cho sự thủy phân của các acid béo nằm ở vị trí 1,3 của triglycerides

Biến đổi tinh bột

Ngành công nghiệp sữa

Lipase

Do thành phần acid amin cân bằng rất tốt, sữa và whey protein là những nguyên liệu lý tưởng cho việc thủy phân:

- Dinh dưỡng ở đường ruột

- Dinh dưỡng trẻ sơ sinh

- Sức khoẻ và bổ sung các loại đồ uống thể thao

- Thực phẩm ăn kiêng

Biến đổi tinh bột

Ngành công nghiệp sữa

Protease

Để làm sữa hoặc whey protein thủy phân, sử dụng các protease endo và exo có hoạt động khác nhau từ động vật (pepsin, trypsin tụy

và chymotrypsin), thực vật (papain, bromelain), hoặc vi khuẩn

(Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis) Ngoài việc sử dụng chúng như là protease, vi khuẩn Aminopeptidases có thể được sử

dụng để loại bỏ các amino acid đầu cuối kỵ nước gây ra vị đắng của các peptide

Lysozyme hiện diện trong nước mắt của con người, trong lòng trắng trứng gà Thuốc kháng sinh tự nhiên này xúc tác quá trình thủy phân liên kết β-1,4 giữa Nacetylmuramic và N- acetylglucosamine hiện diện trong tế bào của vi khuẩn Gram+ Lysozyme được sử dụng trong ngành công nghiệp sữa để tránh sự phát triển của vi khuẩn acid butyric gây sản sinh ra khí, đặc biệt là Clostridium tyrobutyricum.

Biến đổi tinh bột

Ngành công nghiệp sữa

Lysozyme

Phản ứng transacyl hóa giữa nhóm γ-carbboxylamide của dư lượng glutamine và nhóm ε-amino của dư lượng lysine được xúc tác bởi transglutaminase Điều này dẫn đến sự liên kết chéo của các protein và sự kết tinh ba chiều của chúng Phản ứng này ứng dụng nhiều thực phẩm, đặc biệt là trong sản xuất phô mai tươi và kem bánh kem

Biến đổi tinh bột

Ngành công nghiệp sữa

Transglutaminase

Do sự hòa tan có giới hạn của lactose, ứng dụng khác cho lactase là ngăn ngừa sự kết tinh lactose, tạo kết cấu "cát" trong kem.

Lactose cũng có thể được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu để sản xuất lactosucrose bằng việc chuyển một đơn vị β-D-fructofuranosyl

từ sucrose sang vị trí α-anomeric của phân tử D-glucopyranosyl của lactose Lactosucrose là chất làm ngọt nhân tạo không được tiêu hóa

Biến đổi tinh bột

Ngành công nghiệp sữa

β- Galactosidase

β-galactosidase, còn được gọi là “lactase”, thủy phân lactose, carbohydrate trong sữa động vật có vú Enzyme này xúc tác cho sự phân chia liên kết β-1,4- osidic giữa D-galactopyranose và D- glucopyranose, hai loại đường tạo thành lactose

CÔNG NGHIỆP BÁNH

NƯỚNG (BAKING INDUSTRY)

 Giảm độ nhớt trong quá trình hồ hóa tinh bột

 Đặc trưng bởi khả năng chịu nhiệt, do đó hạn chế sự bất hoạt sau quá trình hồ hóa tinh bột ở 70, 80 độ C

 Nhìn chung, enzyme giúp làm tăng khối lượng bánh mì

Sử dụng α- amylase có khả năng chịu nhiệt sau quá trình hồ hóa để hạn chế sự hư của bánh.

Amylase nội bào từ Bacillus amyloliquefaciens được sử dụng với mục đích tăng hạn dùng cho bánh nướng.

3 Oxidases

• Gluten – phần protein trong tinh bột , đóng vai trò

quan trọng trong cấu trúc và tính ổn định của các bọt khí trong suốt quá trình lên men.

• Vì cầu nối disulfide giữa các phân tử gluten rất quan trọng trong cấu trúc protein nên các chất oxy hóa

được sử dụng rộng rãi trong quy trình nướng bánh

Các chất oxy hóa sẽ cải thiện tính ổn định của các cấu trúc phiến bên trong bánh mì, tăng khối lượng bánh mì

Các enzyme thường sử dụng:

• Glucose oxidase oxy hóa glucose thành

gluconolactone trong điều kiện có oxy

• Hexose oxidase oxy hóa glucose, galactose, maltose,…

• Lipoxygenase từ đậu nành oxy hóa các chất béo chưa bão hòa và làm trắng phần ruột của bánh mì.

Nếu như sử dụng các chất oxy hóa hóa học như bromate và azodicarbonamide thì sẽ tạo ra

hydrogen peroxide.

Khi có mặt hydrogen peroxide, enzyme

dehydrogenase nội bào oxi hóa glutathionine và sau đó ngăn cản sự hình thành cầu nối disulfide giữa các phân tử gluten.

Enzyme oxy hóa được sử dụng thay thế cho các chất oxy hóa hóa học

CÔNG NGHIỆP BIA

1 Malting

• Quy trình ủ malt là một trong những chìa khóa quan trọng của việc sản xuất bia

• Mục đích của việc ủ malt là thúc đẩy tối

ưu sự thủy phân của thành tế bào trong hạt lúa mạch.

 Vì vậy, trong quá

1 Malting

Ngoài lúa mạch còn bổ sung các hạt ngũ cốc khác Việc này có thể dẫn đến sự bất hoạt một số enzyme cần thiết.

Bổ sung enzyme ngoại bào để thủy phân hoàn toàn β-glucan.

Nếu có sự hiện diện của β-glucan dẫn đến hiện

tượng gọi là chill haze trong bia.

2 Ngăn ngừa chill haze trong bia

• Sự tương tác giữa các protein

với polyphenol trong quá trình

CHẾ BIẾN TRÁI CÂY

• Enzymatic maceration of fruit là công nghệ

được tạo ra trong quy trình chế biến trái cây.

• Trong quy trình này, các thành tế bào của thực vật sẽ bị thoái hóa bởi sự kết hợp của các

enzyme polygalacturonases ngoại bào, pectin methylesterases, pectin lyases từ quá trình ép trái cây.

• Phương pháp này giảm khối lượng bã sau khi

ép

Enzymatic maceration of fruit

• Đối với những loại trái cây có lượng tinh bột đáng kể, amylase là enzyme cần thiết để hạn chế việc tạo ra váng đục.

• Trong quá trình ép, các pentin trong nước cam

ít bị methyl hóa hơn nước táo do trong cam đã

có sẵn nồng độ enzyme pectin methyllesterase nội bào cao.

NHO VÀ CÔNG NGHIỆP

RƯỢU VANG

• Công nghiệp rượu vang gần đây mới được

hiểu biết sâu hơn về các quy trình hóa sinh , sự phát triển của công nghệ enzyme.

• Trong số những mục tiêu thay đổi, tập trung

đặc biệt vào enzyme ngoại bào như

carbohydrates và glycosylated chuyển hóa thứ cấp.

• Sự thay thế cho việc bổ sung glycosidases ngoại bào

là sử dụng các dòng GMO Tương tự các chủng nấm men đã được biến đổi gen bằng cách sử dụng gen

mã hóa glycosidase cũng được dùng trong sản xuất rượu vang.

• Mặc dù những sự thay thế trên cho kết quả rượu

vang ngon hơn, thơm hơn nhưng vẫn chưa được đưa vào sản xuất thương mại rộng lớn cho đến nay.

Công nghiệp thực phẩm

1 Probiotic

• Probiotic là "các sinh vật sống, nếu được kiểm soát với số lượng thích hợp, sẽ đem lại lợi ích cho sức khoẻ của vật chủ"

• Cơ thể con người chứa số lượng vi khuẩn khoảng hơn mười lần dân số thế giới

• Số lượng vi khuẩn đường ruột tương đối ổn định ở một cá thể, nhưng có sự khác biệt đáng kể giữa các cá thể với nhau

Sự tăng sinh của vi sinh vật đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của hệ thống miễn dịch của con người,vi sinh vật tương tác với cả hệ thống miễn dịch bẩm sinh và miễn dịch thu được.

• Probiotics chủ yếu là lactobacilli và bifidobacteria có nguồn gốc từ ruột người khoẻ mạnh.

• Chúng có sẵn cho người tiêu dùng dưới dạng bột hoặc dạng viên nén, nhưng phổ biến nhất là các sản phẩm từ sữa

Lợi ích của probiotic đối với con người và động vật:

• Các công ty chính tham gia vào thị trường probiotic là BioGaia Biologics, Chr Hansen, ConAgra Functional Foods, Danisco, Danone, Institut Rosell (Lallemand), Lifeway Foods, Natren, Nestlé, Seven Seas, Stonyfield Farm và Yakult.

2 Prebiotics

• Prebiotics là "các thành phần thực phẩm không thủy phân được mà ảnh hưởng đến lợi ích vật chủ bằng cách chọn lọc kích thích sự phát triển hoặc hoạt động của một hoặc một số vi khuẩn trong đại tràng và do đó cải thiện sức khoẻ của vật chủ "

• Prebiotics là chất xơ hòa tan chủ yếu

là các oligosaccharide

• Prebiotics có tính chất kháng lại một phần hay hoàn toàn sự thủy phân bởi enzyme diges-tive của con người và động vật

• Tương tự, chúng không bị chuyển hóa trực tiếp bởi vật chủ và khi đi đến với đại tràng, nơi chúng có thể hoạt động như một chất nền cụ thể cho hệ vi khuẩn đường ruột

• Nó cũng có thể tương tác với các thụ thể carbohydrate hiện diện ở bề mặt của các tế bào vi sinh vật hoặc biểu mô, ảnh hưởng đến sự kết dính tế bào và điều hòa miễn dịch

Các oligosaccharides không thủy phân thu được bằng nhiều con đường khác nhau:

• chiết xuất từ nguồn thực vật: fructooligosaccharides, galactooligosacharides

α-• enzyme kiểm soát thủy phân của polysaccharides: fructooligosaccharides, xylooligosaccharides

• enzym tổng hợp: fructooligosaccharides, glucooligosaccharides, β-glucooligosaccharides, β-galactooligosaccharides

α-2.1 Inulin

• Inulin là một fructose polymer có chứa các liên kết β -2,1 và một sucrose

ở đầu không còn tính khử

• Một vài loài thực vật sử dụng inulin để lưu trữ năng lượng, đặc biệt là rau diếp (Cichorium intybus) và atisô Jerusalem (Helianthus tuberosus)

• Nó có thể được thủy phân hoàn toàn để tạo ra fructose bằng cách

sử dụng một exo -inulinase đơn thuần hoặc kết hợp với endo-inulinase, hoặc để sản xuất fructooligosaccharides bằng cách

sử dụng endo-inulinase đơn thuần

• fructan chứa các liên kết osidic không thể bị thủy phân bởi enzyme tiêu hóa của người và động vật

Tác động tích cực của inulin:

•Kích thích phát triển hệ vi khuẩn đường ruột.

•Hấp thu khoáng chất, chuyển hóa lipid.

•Phòng ngừa ung thư đại tràng.

• Các chức năng miễn dịch của đường tiêu hóa.

• Prebiotic Inulin và các fructoligosaccharides được bán ở các công ty khác nhau, đặc biệt là Orafti, một

bộ phận của Südzucker, dưới tên thương mại của Beneo®.

• Các fructooligosaccharides tương tự cũng có mặt trong các loại thực vật khác nhau, với hàm lượng cao đặc biệt

ở hành tây và măng tây

2.2 Fructooligosaccharides

• Fructooligosaccharides chứa các β-D-fructofuranose liên kết 2,1-osidic với nhau cũng thu được bằng cách tổng hợp enzyme từ sucrose, sử dụng fructosyl

transferase từ Aspergillus niger hoặc Aureobasidium

pullulans

n Glc-Fru → Glc- Fru n + n − 1 Glc

• Một loạt các fructooligosaccharides thu được nhờ tăng mức độ trùng hợp (Hình 10.2) Các sản phẩm này được sản xuất bởi Beghin- Meiji, liên doanh giữa Tereos và Meiji Seika, dưới tên thương hiệu Actilight® và Profeed®.

Hình 10.2 Cấu trúc của nystose, một

fructofuranosyl tetrasaccharide α-1,2 nối với một đoạn cuối của glucosyl

2.3 Galactooligosaccharides

• α-Galactooligosaccharides được sản xuất bằng cách chiết xuất

từ nguồn thực vật, đậu tương Chúng bao gồm một loạt các chất dẫn xuất α-1,6-galactosyl của sucrose (Hình 10.3): raffinose, stachyose, và verbascose, tương ứng, chứa dư lượng α-D-galactosyl 1, 2 và 3 Các α-galactooligosaccharides được

sử dụng như là prebiot-ics tại Nhật Bản

• β-Galactooligosaccharides thu được từ hoạt động galactosyltransferase của β-galactosidase, từ Aspergillus oryzae, lên lactose, chứa trong sữa, một sản phẩm phụ sữa, theo sơ đồ phản ứng sau đây:

β-D-Gal-1, 4-D-Glc → β-D-Gal n -D-Glc + n − 1 D-Glc

Hình 10.3 Cấu trúc của trisaccharide raffinose ( 2 ) và

tetrasaccharide stachyose ( 3 ) α - 1,6 - liên kết các biến thể của đường sucrose

Bảng 10.2 Galactooligosaccharides không bị thủy phân và chúng kích thích

sự phát triển chọn lọc của bifidobacteria

và làm giảm độc tính của các chất trong ruột già.

4 Glucooligosaccharides

• Isomaltooligosaccharides (IMO) là hỗn hợp chuỗi carbohydrate ngắn với đơn phân là D-glucose được liên kết với nhau bằng liên kết α - 1,6

• IMO được sản xuất bằng cách thủy phân tinh bột kèm xử lý bằng enzyme α - transglucosidase

từ Aspergillus sp.

• Nguồn cung cấp D-glucose chính là maltose và maltodextrins.

Isomaltooligosaccharides

Công dụng của IMO

• IMO là oligosaccharide chức năng, có năng lượng

thấp chống béo phì

• Có tác dụng kích thích sự phát triển vi khuẩn

đường ruột có lợi, ngăn chặn sự phát triển vi khuẩn gây bệnh,

• Phòng chống bệnh răng miệng, tăng cường hệ

miễn dịch, tăng cường hấp thu khoáng chất, chống oxi hóa,…