The aim of the present research was to study the use b – D fructofuranosidase (EC: 3.2.1.26) in enzyme preparation Pectinex Ultra SP-L (Novozymes) for Fructooligosaccharide (FOS) production. Enzyme preparation Pectinex Ultra SP-L (Novozymes) contains b – D fructofuranosidase with the activity 58.1 U/ml. Optimal conditions were selected: Temperature = 40oC, pH 5.6, 240 mn and ratio enzyme: sugarcane juice of 2 : 100 (v/v). The FOS syrup obtained using Pectinex Ultra SP-L has following composition: 50,4% FOS; 10.4% saccharose; 3.9% fructose and 35.3% glucose
Trang 1Tạp chí KHKT Nông nghiệp 2006: Tập IV, Số 6: 105-111 Đại học Nông nghiệp I
ứng dụng công nghệ enzyme để thu nhận đường chức năng
fructooligosaccharide (FOS) từ dịch mía
Application of enzyme technology for fructooligosaccharides (FOS) production
from sugarcane juice
Ngô Xuân Mạnh1
và cộng sự
Summary
The aim of the present research was to study the use β – D fructofuranosidase (EC: 3.2.1.26) in enzyme preparation Pectinex Ultra SP-L (Novozymes) for Fructooligosaccharide (FOS) production Enzyme preparation Pectinex Ultra SP-L (Novozymes) contains β – D fructofuranosidase with the activity 58.1 U/ml Optimal conditions were selected: Temperature =
40oC, pH 5.6, 240 mn and ratio enzyme: sugarcane juice of 2 : 100 (v/v) The FOS syrup obtained using Pectinex Ultra SP-L has following composition: 50,4% FOS; 10.4% saccharose; 3.9% fructose and 35.3% glucose
Key words: Fructooligosaccharide (FOS), β – D fructofuranosidase, optimal temperature and pH, sugarcane juice
1 Đặt vấn đề
Trước đây, con người thường quan tâm
nghiên cứu và sử dụng những sản phẩm thực
phẩm giàu dinh dưỡng và giá trị năng lượng
cao Trong những năm gần đây ngoài những
sản phẩm thực phẩm trên, người ta còn tập
trung vào những sản phẩm thực phẩm có giá trị
dinh dưỡng và mức năng lượng thấp; nhưng lại
chứa các hoạt chất có tác dụng tốt đối với sức
khỏe của con người - những thực phẩm chức
năng (functional foods), trong số đó đường
chức năng là một nhóm thực phẩm chức năng
quan trọng (Gibson và William, 2000)
Có nhiều loại đường chức năng như:
đường panatinose, maltitol, sorbitol, lactitol,
fructoolygosaccharide (FOS), xyloolygosaccharide,
isomaltoolygosaccharide Trong số đó,
đường FOS được nghiên cứu nhiều hơn cả
không phải chỉ bởi công nghệ sản xuất đơn giản, vị ngọt thấp nhưng vẫn giữ được hương thơm và vị ngọt đặc trưng của đường saccharose, quan trọng hơn là FOS có nhiều
đặc tính có lợi cho sức khỏe con người: có khả năng kích thích tiêu hóa, chống bệnh tiểu
đường, là thành phần trong chế độ ăn kiêng phòng chống bệnh béo phì Đặc biệt FOS còn giúp tăng khả năng hấp thu Fe, Mg, Ca, Cr ngăn ngừa bệnh thiếu máu, thiếu sắt, cân bằng ion Mg2+, Ca2+ trong cơ thể, chống bệnh lo[ng xương và bệnh sâu răng ở trẻ em (Gibson và William, 2000; Mazza, 1998) Đường FOS
được tìm thấy trong tự nhiên ở một số loại rau quả như: chuối, quất, mận, đào, cà chua, hành, tỏi, actiso Đi liền với sự phát triển đó, công nghệ enzyme ngày càng được sử dụng rộng r[i trong nhiều lĩnh vực
1Khoa Công nghệ thực phẩm, Đại học Nông nghiệp I
Trang 2Nước ta là nước có ngành công nghiệp
mía đường khá phát triển, các vùng nguyên
liệu mía phân bố khá rộng r[i (5 vùng sinh
thái) trải rộng từ Bắc vào Nam Do đó chúng
ta sản xuất đường FOS từ nguyên liệu ban đầu
là mía khá thuận lợi Trong bài báo này trình
bày kết quả nghiên cứu ứng dụng chế phẩm
enzyme pectinex để thu nhận đường chức
năng FOS từ dịch mía
2 VậT LIệU Và PHƯƠNG PHáP NGHIÊN
CứU
2.1 Vật liệu
Dịch mía của giống mía chín trung bình
F156 trồng trong vụ 2005 - 2006 được sử dụng
để nghiên cứu Đường saccharose là loại
đường trắng tinh luyện có hàm lượng 99,62%,
có độ ẩm 0,05% và đường khử: < 0,05% Chế
phẩm enzyme pectinex Ultra SP-L (h[ng
Novozymes, Đan Mạch) là chế phẩm dạng
lỏng, màu nâu đen, đặc sánh, có mùi thơm đặc
trưng, trong đó có chứa enzyme
β-D-Fructofuranosidase được sản xuất từ chủng
aspergillus niger
2.2 Phương pháp
Tiến hành 4 đợt lấy mẫu mía ở 4 giai
đoạn (thời điểm) khác nhau để kiểm tra thành
phần đường trong dịch mía Mỗi đợt tiến hành
kiểm tra 3 mẫu để lấy kết quả trung bình Hoạt
tính của enzyme β-D Fructofuranosidase được
xác định theo phương pháp do Seikagaku đề
xuất (tham khảo tài liệu của Whitaker &cs,
2004), hàm lượng đường khử theo phương
pháp Lane - Eynone (tham khảo tài liệu của
Đặng Thị Thu & cs, 1997), hàm lượng đường
theo phương pháp được Nguyễn Văn Mùi mô
tả (2001) và thành phần và hàm lượng đường
trong sản phẩm FOS thu được bằng phương
pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) trên
hệ thống sắc ký HP 1100 (h[ng Aligence, Mỹ)
tại Phòng phân tích và kiểm định chất lượng
thực phẩm, Viện Công Nghiệp Thực Phẩm
Các loại đường trong mẫu chuẩn (Trung Quốc) và mẫu nghiên cứu được phân chia trên cột sắc ký supelco Ca 30cm x 7,8mm ID (h[ng Supelco, Mỹ), tốc độ dòng chảy 1ml/min, Detector là Detector đo chỉ số khúc xạ - RI
3 KếT QUả NGHIÊN CứU Và THảO LUậN 3.1 Xác định hoạt tính của enzyme βββ-D fructofuranosidase trong chế phẩm pectinex Ultra SP-L và hàm lượng đường saccharose trong dịch mía
Để có định hướng sử dụng chế phẩm enzyme pectinex-Ultra SP-L, hoạt tính của enzyme β-D frutofuranosidase đ[ được xác
định Số đơn vị hoạt tính trong 1ml dung dịch chế phẩm enzyme là 58,1 U/ml Do chế phảm pectin ex Ultra SP-L chứa enzyme β-D frutofuranosidase, do đó có thể sử dụng chế phẩm này để thu nhận các fructooligosaccharide (FOS) từ đường saccharose
Hàm lượng 3 loại đường chính trong dịch mía thu được trình bày ở bảng 1
Bảng 1 Thành phần đường trong dịch mía
Đợt kiểm tra Saccharose
(%w/w)
Glucose (%w/w)
Fructose (%w/w)
Trung bình 90,9 6,2 2,9
Số liệu của bảng 1 cho thấy thành phần
đường trong nước mía tương đối đồng đều trên
4 mẫu nước mía phân tích Trong số 3 loại
đường xác định, dịch mía chứa hàm lượng
đường saccharose là chủ yếu (~ 90%) Ngoài
ra dịch mía còn chứa đường glucose (~6%) và
đường fructose (~3%)
Trang 33.2 Xác định điều kiện tối ưu cho enzyme
hoạt động
ảnh hưởng của nhiệt độ, pH và thời gian
phản ứng đến hoạt tính của enzyme và khả
năng vận chuyển đường fructose để tạo thành
đường FOS đ[ được nghiên cứu Hình 1 cho
thấy hàm lượng fructose được vận chuyển tạo
FOS tăng dần từ nhiệt độ 25o- 400C và đạt cực
đại tại giá trị nhiệt độ 400C với hàm lượng là
6,9% Sau đó hàm lượng fructose được vận
chuyển giảm dần từ nhiệt độ 45- 500C Điều
đó chứng tỏ khả năng phản ứng thể hiện hoạt
tính transferase của enzyme đạt cực đại tại giá trị nhiệt độ 400
C
Hình 2 cho thấy khi giá trị pH tăng từ 4,5-5,5, hàm lượng fructose được vận chuyển tạo FOS cũng tăng lên và đạt cực đại tại giá trị pH 5,5 với hàm lượng fructose chuyển hóa đạt 6,9% Sau đó, khi tiếp tục tăng từ pH 5,5-7, hàm lượng fructose được vận chuyển lại giảm xuống Tại giá trị pH = 7 hàm lượng fructose
được vận chuyển chỉ bằng 09% Tại giá trị pH 5,5 hàm lượng fructose được vận chuyển tạo FOS đạt giá trị cao nhất
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fructose vận chuyển
Nhiệt độ (0C)
Hình 1 ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng vận chuyển Fructose
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
pH
Fructose vận chuyển
Hình 2 ảnh hưởng của pH đến khả năng vận chuyển Fructose
Trang 41
2
3
4
5
6
7
8
Thời gian (phút)
Fructose vận chuyển
Hình 3 ảnh hưởng của thời gian đến khả năng vận chuyển Fructose
Hình 3 cho ta thấy thời gian phản ứng
càng tăng thì hàm lượng fructose được vận
chuyển tạo FOS càng tăng Thời gian phản
ứng tăng từ 30 đến 240 phút thì hàm lượng
fuctose được vận chuyển tạo FOS tăng cao
trên 1% Hàm lượng fructose được vận
chuyển ở mức thấp nhất là 0.3% ở 30 phút
Với thời gian từ 240 phút đến 300 phút thì
hàm lượng fructose được vận chuyển tăng lên
không đáng kể Vì vậy, thời gian phản ứng
của chế phẩm enzyme được chọn là 240 phút
Lúc này, hàm lượng fructose được vận
chuyển tạo FOS đạt 7,0%
Trên cơ sở các kết quả thu được nhiệt độ
40o
C, pH 5,5 và thời gian phản ứng 240 phút
đ[ được chọn cho phản ứng thu nhận đường
FOS từ dịch mía
3.2 ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme/cơ chất tới
sự biến đổi thành phần đường
Lượng chế phẩm enzyme bổ sung là một
yếu tố rất quan trọng nhằm tăng khả năng
thủy phân và vận chuyển, chất lượng và giá
thành sản phẩm Nếu bổ sung với lượng
enzyme thấp thì khả năng thủy phân thấp, thời
gian thủy phân kéo dài làm cho sản phẩm biến
màu, chất lượng và thành phần đường biến đổi
không như mong muốn Ngược lại nếu lượng
chế phẩm enzyme bổ sung càng cao thì hiệu
quả thủy phân cũng càng cao (đạt đến điểm
cực đại) Tuy nhiên bổ sung enzyme trong quá
trình sản xuất cần phải quan tâm đến giá thành của enzyme Vì vậy để đảm bảo cả yếu tố kinh
tế và yếu tố kỹ thuật phải chọn ra một tỷ lệ thích hợp giữa các yếu tố đó
Khi bổ sung enzyme với các lượng khác nhau từ 0,005 đến 0,04 và tiến hành phản ứng
ở điều kiện: nhiệt độ: 400
C, pH 5,5 và thời gian phản ứng 240 phút, lượng enzyme tăng thì hàm lượng fructose vận chuyển tạo FOS cũng tăng theo (bảng 2) Điều đó chứng tỏ hoạt tính transferase của enzyme cũng tăng khi nồng độ enzyme tăng Khi lượng enzyme tăng từ 0,005 - 0,02 thì hàm lượng fructose
được vận chuyển tạo FOS tăng từ 0,6% đến 6,9% Nhưng khi lượng enzyme tăng từ 0,02
đến 0,04 thì hàm lượng fructose được vận chuyển chỉ tăng từ 6,9% đến 7,9% (=1%) Như vậy là hàm lượng fructose được vận chuyển tăng rất chậm từ nồng độ ezyme trong khoảng này Bên cạnh đó hàm lượng saccharose +FOS giảm dần theo chiều tăng của lượng enzyme, còn ngược lại hàm lượng glucose tăng dần theo chiều tăng của lượng enzyme Số liệu cũng cho thấy khả năng thủy phân của enzyme tăng dần khi tăng nồng độ enzyme
Kết quả thu được ở bảng 2 cho phép chọn
tỷ lệ enzyme/cơ chất: 2ml chế phẩm enzyme cho 100ml dịch mía trong quy trình sản xuất
là hợp lý hơn đáp ứng yêu cầu về giá thành cho sản phẩm
Trang 5Bảng 2 ảnh hưởng của tỷ lệ chế phẩm Enzyme/cơ chất tới sự biến đổi thành phần đường
Tỷ lệ enzyme/nước mía
(v/v)
Saccharose+ FOS (%w/w)
Glucose (%w/w)
Fructose (%w/w)
Fructose vận chuyển (%w/w)
3.3 Thành phần đường FOS có trong sản
phẩm
Thành phần và hàm lượng các loại đường
có trong chế phẩm FOS đ[ được xác định và
định lượng (hình 4, 5 và bảng 3) Siro FOS thu
nhận được theo quy trình sản xuất trình bày ở
sơ đồ 1 được phân tích thành phần và hàm
lượng các loại đường trên máy sắc ký lỏng
hiệu năng cao (HPLC) Mẫu đối chứng là
đường FOS bán trên thị trường Trung Quốc
Số liệu bảng 3 và sắc ký đồ (hình 4 và 5) cho thấy hàm lượng FOS đạt giá trị cao nhất, chiếm 50,4%, hàm lượng fructose chiếm tỷ lệ thấp nhất 3,9% Bên cạnh đó hàm lượng saccharose còn lại với tỷ lệ thấp (10,4%) và lượng glucose chiếm tỷ lệ khá cao (35,3%)
Điều này chứng tỏ hiệu quả thủy phân và khả năng vận chuyển fructose của chế phẩm enzyme pectinex Ultra SP-L đạt tỷ lệ cao Với hàm lượng fructose chiếm 3,9% cho thấy hiệu suất chuyển hóa rất cao
Minutes
0.000
0.025
0.050
RID Lanhuong
SV DHNN 08.5.2006 x20lan
Name
Retention Time
Mẫu kiểm tra Hình 4 Sắc ký đồ của đường FOS và các loại đường trong mẫu nghiên cứu
Trang 60.00
0.01
0.02
0.03
RID Lanhuong FOS 08.5.2006
Name
Retention T ime
Mẫu chuẩn Hình 5 Sắc ký đồ của đường FOS chuẩn
Điều kiện:
Detector: RI
Tốc độ dòng chảy: 1ml/phút
Cột sắc ký: Sulpelco Ca, 30cm x 7.8mm ID
Bảng 3 Thành phẩn và hàm lượng đườngcó
trong sản phẩm FOS
Loại đường Hàm lượng (%)
Ghi chú: Kết quả trên tính theo tổng các loại đường
có trong mẫu (100%)
Với việc sử dụng chế phẩm enzyme
Pectinex Ultra SP-L cho siro FOS có chất
lượng tương đương như đường FOS của Trung
Quốc bán trên thị trường
3.4 Quy trình sản xuất
Trên cơ sở các kết quả thu được, chúng
tôi đề xuất quy trình sản xuất siro FOS từ nước
mía có sử dụng chế phẩm enzyme Pectinex
Ultra SP-L như ở sơ đồ 1
Sơ đồ1 Quy trình sản xuất siro FOS từ nước mía có sử dụng enzyme Pectinex Ultra SP-L
4 KếT LUậN Hoạt tính của Enzyme β-D fructofuranosidase có trong chế phẩm Pectinex Ultra SP- L là 58,1U/ml
Mía nguyên liệu
Dung dịch nước mía
- Xử lý enzyme Pectinex Ultra SP-L (Tỷ lệ enzyme: Dịch mía – 2: 100, T=40 o C, pH 5,5, t=240 ph.)
- Vô hoạt enzyme
- Lọc trong
Dung dịch Fructoolygosaccharide
- Tẩy màu
- Cô đặc đến 70 0 Bx
Siro FOS 70 0 Bx
- Chọn và làm sạch
- ép
Trang 7Các điều kiện cho việc xử lý enzyme
Pectinex Ultra SP-L đ[ được lựa chọn gồm:
- Nhiệt độ thích hợp là 400C
- pH thích hợp là 5,5
- Thời gian phản ứng là 240 phút
- Tỷ lệ enzyme/nước mía (200
Bx) là 2ml/100ml dịch mía
Từ đó nghiên cứu đề xuất một quy trình
sản xuất siro FOS từ nước mía có sử dụng chế
phẩm Pectinex Ultra SP-L với Siro FOS thành
phẩm có thành phần và hàm lượng các loại
đường là: đường FOS: 50,4%, saccharose:
10,4%, fructose: 3,9% và glucose: 35,3%
Tài liệu tham khảo Nguyễn Văn Mùi (2001) Thực hành hóa sinh học Đại Học Quốc Gia Hà Nội
Đặng Thị Thu và CS., (1997) Thực hành hoá sinh công nghiệp ĐHBK Hà Nội Gibson G.R & William C.M., (2000) Functional foods - Concept to product Woodhead publishing Ltd & CRC Press
9 - 27 p
J.R.Whitaker, A.G.J.Voragen, D.W.S Wong, (2004) Handbook of food Enzymology, 805
- 822p Mazza G Edt., 1998 Functional foods: Biochemical and processing aspects.Agriculture and agrifood, Canada, woodhead publishing Ltd
