Enzyme pectinase trong SX NUOCEPQUA

Các chế phẩm enzyme pectinase thường được sử dụng trong sản xuất nước ép trái cây với mục đích đẩy nhanh quá trình lọc, giảm bớt độ nhớt, cải thiện chất lượng sản phẩm với quy mô công ng

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BÀI TIỂU LUẬN

ỨNG DỤNG ENZYME PECTINASE TRONG SẢN XUẤT NƯỚC ÉP TÁO

GV: Đỗ Thị Hiền

Bộ môn: Công nghệ enzyme

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

BÀI TIỂU LUẬN

ỨNG DỤNG ENZYME PECTINASE TRONG SẢN XUẤT NƯỚC ÉP TÁO

Thành viên nhóm thực hiện:

TP.HCM, 2019 MỤC LỤC

Trang LỜI MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG

I GIỚI THIỆU CHUNG

1 Nước ép táo 2

2 Cơ chất pectin 2

2 Enzyme pectinase 4

II ỨNG DỤNG PECTINASE VÀO QUY TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC ÉP TÁO 1 Quy trình chung sản xuất nước ép táo 8

2 Tác dụng của enzyme pectinase ở bước xử lí đầu tiên 9

3 Tác dụng của enzyme pectinase ở bước xử lí thứ hai 10

4 Quá trình lọc trong tạo thành sản phẩm 11

5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình sản xuất nước ép táo 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 13

CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 15

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, công nghệ enzyme đang là một trong những lĩnh vực phát triển nhất của ngành công nghệ sinh học Enzyme là chất xúc tác sinh học tự nhiên đặc biệt quan trọng trong các quá trình sinh học của tế bào và sinh vật Với những phát triển của khoa học kĩ thuật hiện đại, tất cả những đặc điểm về cấu trúc cũng như tác động của enzyme đã được nghiên cứu chuyên sâu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống, từ nông nghiêp, thực phẩm, mỹ phẩm cho đến công nghiệp và y dược Điều đó cho thấy công nghệ enzyme đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của ngành công nghệ sinh học

Enzyme từ lâu đã được chú trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm do những lợi ích mà nó mang lại, đặc biệt là khả năng gia tăng tốc độ phản ứng, đẩy nhanh các quá trình sinh học giúp tạo thành sản phẩm nhanh và có chất lượng cao hơn Đặc biệt, việc cung cấp một sản lượng lớn enzyme từ nguồn vi sinh vật thay thế cho thực vật và động vật với giá thành thấp hơn đã thúc đẩy các ngành công nghiệp ứng dụng enzyme vào sản xuất Một số emzyme được sử dụng rộng rãi như protease, amylase, pectinase,…

Nhu cầu về nước ép trái cây và những sản phẩm được chế biến từ các loại quả đang ngày càng tăng lên và trở thành một ngành công nghiệp phát triển Do đó, để nâng cao chất lượng sản phẩm, enzyme đã trở thành một yếu tố quan trọng để tạo nên những sản phẩm hoàn thiện và tiết kiệm nhiều chi phí cho ngành công nghiệp sản xuất nước ép Các chế phẩm enzyme pectinase thường được sử dụng trong sản xuất nước ép trái cây với mục đích đẩy nhanh quá trình lọc, giảm bớt độ nhớt, cải thiện chất lượng sản phẩm với quy mô công nghiệp và ngăn chặn sự đóng cặn trong chai Để hiểu sâu hơn về ứng dụng của enzyme pectinase trong các quá trình này, nhóm em thực hiện đề tài tiểu

luận “ Ứng dụng enzyme pectinase trong sản xuất nước ép táo”.

NỘI DUNG

I GIỚI THIỆU CHUNG

1 Nước ép táo

Nước ép táo là một trong những loại nước ép

trái cây phổ biến nhất trên thế giới Bên cạnh hương

vị thơm ngon từ táo, nó còn có một số lợi ích và

nhược điểm so với những loại nước ép trái cây khác

Ưu điểm:

- Nước ép táo pha loãng với nước có thể giúp

cơ thể bù nước khi chúng ta đang trong tình trạng bị

bệnh

- Nước ép táo có chứa các hợp chất thực vật

gọi là polyphenol có thể giúp bảo vệ các tế bào, làm

chậm quá trình oxy hóa

- Một số nghiên cứu cho thấy nước ép táo có thể làm tăng hoạt động chống oxy hóa trong máu và giúp bảo vệ cholesterol LDL khỏi quá trình oxy hóa, làm giảm nguy cơ mắc bệnh tim

- Các nghiên cứu cũng cho thấy nước ép táo làm tăng hàm lượng acetylcholine trong não giúp gia tăng khả năng ghi nhớ

Nhược điểm:

Nước ép táo có nhiều chất dinh dưỡng tốt cho sức khỏe, tuy nhiên nó lại có ít hàm lượng chất xơ, khoáng chất và có hàm lượng đường khá cao Do đó, việc bổ sung nước ép táo cần có một chỉ tiêu nhất định để tránh gây ra những tác hại cho cơ thể

2 Cơ chất pectin

2.1 Khái quát

Pentin là một polysaccharide được cấu tạo từ các đơn phân tử là galacturonic và rượu metylic, trọng lượng phân tử từ 20.000 - 200.000 đvC

Pectin có nhiều trong màng tế bào thực vật, đặc biệt ở phiến giữa và vách tế bào sơ

cấp

Hình 1.1 Pectin trong vách tế bào thực vật

Pectin được đặc trưng bởi hai chỉ số sau:

- Chỉ số methoxyl (MI): biểu hiện tỉ lệ methyl hóa, là phần trăm (%) khối lượng nhóm methoxyl (-OCH3) trên tổng khối lượng

- Chỉ số ester hóa (DE): thể hiện mức độ ester hóa của pectin, là phần trăm (%) về

số lượng của gốc acid galacturonic được ester hóa trên tổng số gốc acid galacturonic có trong phân tử

2.2 Phân loại

Pectin thường được dùng để chỉ một nhóm các chất sau:

- Protopectin: là pectin ở trạng thái tự nhiên của thực vật, tạo cho rau quả xanh có

độ cứng nhất định, mức độ methyl hóa rất cao và không hòa tan trong nước

- Acid pectinic: là một acid polygalacturonic nhưng chỉ được ester hoá một phần nhỏ bởi methanol, mức độ methyl hóa trung bình, tan trong nước, muối là pectinate

- Pectin: là este methyl của axit polygalacturonic, mức độ methyl hóa trung bình, tan trong nước, bản chất là keo, có khả năng tạo gel, tạo nhũ

- Acid pectic: là acid đã được giải phóng khỏi nhóm methoxy (–OCH3), mức độ methyl hóa rất thấp, tan trong nước, muối là pectate

2.3 Cấu trúc

Phân tử pectin là dẫn suất của acid pectic - một polymer của acid D-galacturonic liên kết với nhau bằng liên kết 1-4-glycoside Các nhóm carboxyl (−COOH) có thể tồn tại trong phân tử pectin ở dạng tự do hoặc liên kết ester với methanol

Hình 1.2 Cấu tạo hóa học của Pectin

3 Enzyme pectinase

3.1 Khái quát

Enzyme pectinase là một nhóm enzyme thủy phân liên kết ester hoặc glycoside trong mạch polymer của pectin, sản phẩm của quá trình này là acid galacturonic, galatose, methanol,… Thông qua quá trình này, nó làm mềm thành tế bào và tăng sản lượng dịch quả chiết xuất từ trái cây

Đây là một nhóm enzyme được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chỉ đứng sau amylase và protease Enzyme pectinase được ứng dụng nhiều trong quá trình chế biến thực phẩm, đặc biệt là khả năng làm trong nước hoa quả

Enzyme pectinase có chủ yếu ở thực vật bậc cao và các sản phẩm của vi sinh vật:

- Ở thực vật bậc cao: có hầu hết ở các loại trái cây, chủ yếu nằm trong phần vỏ tế bào Các cation kim loại ở nồng độ thấp như Na+, Ca2+ có khuynh hướng làm tăng hoạt động của enzyme

- Ở vi sinh vật: có ở nhiều giống nấm mốc và các vi khuẩn phân giải pectin Các vi sinh vật này thường sống trên bề mặt các loại quả, khi quả bị hỏng hoặc cây chết, chúng

sẽ cùng các vi sinh vật khác phá hủy nhanh quả và các bộ phận khác của cây Trong công nghiệp sản xuất chế phẩm enzyme hiện nay, pectinase thường được thu nhận từ nguồn

enzyme ngoại bào của Aspergillus niger.

Hình 1.3 Cấu trúc 3D của pectinase từ Aspergillus niger

3.2 Phân loại

Pectinase có thể phân loại thành 3 nhóm:

- Hydrolases: là nhóm enzyme thủy phân pectin, acid pectic và acid pectinic.

Nhóm enzyme này thường có chủ yếu trong vi khuẩn và nấm mốc, nó có tính đặc hiệu cao đối với cơ chất nên dựa vào đó người ta chia thành 4 loại sau:

+ Endo glucozidase polymethyl galacturonase (endo – PMG): cắt liên kết α1,4 ở trong mạch pectin Do đó, pectin có mức độ methyl hoá càng cao (nhiều gốc methoxy –OCH3) thì bị thuỷ phân càng nhanh Trong môi trường có mặt pectinesterase (PE) thì enzyme này thường bị giảm hoạt lực Endo – PMG rất phổ biến ở các giống nấm mốc như

Asp Niger, Asp Awamori, Botrytis cinezea, Neurispora crassa.

Hình 1.4 Cơ chế tác dụng của endo – PMG lên hợp chất pectin

+ Exo glucozidase polymethyl galacturonase (exo – PMG): cắt từng gốc monome acid galacturonic ra khỏi mạch pectin bắt đầu từ đầu không khử có nhóm methoxy (– OCH3)

Hình 1.5 Cơ chế tác dụng của exo – PMG lên hợp chất pectin

+ Endo glucozidase polygalacturonase (endo – PG): là enzyme thuỷ phân acid pectic và acid pectinic tại vị trí có gốc −COOH Hoạt độ của endo – PG tăng lên nhiều khi

cơ chất được xử lý trước bằng pectinesterase (để tạo ra nhiều gốc –COOH tự do)

Hình 1.6 Cơ chế tác dụng của endo – PG lên axit pectinic

+ Exo glucozidase polygalacturonase (exo – PG): là enzyme thuỷ phân các liên kết gắn với nhóm –COOH tự do ở đầu hay cuối mạch acid pectic và acid pectinic

Hình 1.7 Cơ chế tác dụng của exo – PG lên axit pectinic

- Lyases: là nhóm enzyme xúc tác phá vỡ liên kết α1,4 của pectin và acid pectic + Polymethylgalacturonate lyase (PMGL): Xúc tác phá vỡ liên kết α1,4 đặc hiệu với pectin có mức độ ester hoá cao

+ Polygalacturonate lyase (PGL): xúc tác phá vỡ liên kết α1,4 của acid pectic

- Esterase: nhóm này chỉ có một enzyme là pectimethylesterase (PE) PE xúc tác

thuỷ phân liên kết ester trong phân tử pectin để giải phóng sản phẩm là methanol và acid polygalacturonic PE chỉ phân cắt các nhóm methoxy đứng cạnh nhóm –COOH tự do

Hình 1.8 Cơ chế tác dụng của PE lên hợp chất pectin

Vị trí tấn công nhóm methoxy ở vị trí 4 dễ hơn ở vị trí 2 và 6 (do có 2 gốc –COOH)

Độ pHop của PE thu được từ các nguồn khác nhau: 4,5 – 5,5 (vi sinh vật); 5,0 – 8,0 (thực vật) PE của nấm mốc có top= 30 – 45oC, bị bất hoạt ở nhiệt độ 55 – 62oC, PE được hoạt hoá bởi Ca2+ và Mg2+

3.3 Một số ứng dụng của enzyme pectinase

3.3.1 Ứng dụng sản xuất nước ép trái cây

Ngành công nghiệp sản xuất các loại thức uống từ trái cây, đặc biệt là các loại quả

có phần thịt giòn gặp nhiều khó khăn trong việc chiết xuất dịch quả Nguyên nhân chủ yếu là do hàm lượng pectin trong quả cao dẫn đến sản phẩm sau quá trình chiết xuất vẫn

bị đục và hiệu suất tạo thành nước ép không cao Do đó, enzyme pectinase là một giải pháp quan trọng trong các quy trình này

Ngoài enzyme pectinase thì enzyme proteaes và cellulase cũng được sử dụng trong quá trình sản xuất nước ép trái cây với mục đích làm giảm độ bền cơ học của vỏ tế bào thực vật làm cho dịch quả dễ thoát ra, cặn và bã dễ lắng hơn

3.3.2 Ứng dụng sản xuất rượu vang

Rượu vang được sản xuất từ các loại quả ngọt, do đó enzyme pectinase cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng hiệu suất thu dịch quả và làm trong Tuy nhiên, pectinase phải hoạt động được trong điều kiện nồng độ rượu trung bình 10 – 12% và độ

pH hơi axit (4 – 5)

3.3.3 Ứng dụng trong trích ly dược liệu

Các dược liệu có nguồn gốc từ thực vật đa phần đều chứa một hàm lượng pectin nên quá trình sắc thuốc gặp nhiều khó khăn, không trích ly được triệt để hoạt chất và dịch thuốc bị biến chất sau một thời gian ngắn

Vì vậy, pectinase được sử dụng để phân giải các mô thực vật giúp giải phóng các hoạt chất dễ dàng và triệt để hơn Tuy nhiên, vì sử dụng trong y dược nên enzyme phải có

độ tinh khiết cao

II ỨNG DỤNG PECTINASE VÀO QUY TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC ÉP TÁO

1 Quy trình chung sản xuất nước ép táo

Hình 2.1 Các bước trong quy trình sản xuất nước ép táo

Quy trình sản xuất nước ép táo thường được thực hiện trong 6 bước:

Nghiền nguyên liệu → Ủ và xử lí enzyme → Ép và lọc loại bỏ bã → Ủ và xử lí

Trong toàn bộ quá trình, có 2 bước cần xử lí bằng enzyme pectinase Tuy nhiên, để tăng hiệu suất trích ly dịch quả thì người ta thường sử dụng thêm các enzyme như protease, cellulase và amylase

2 Tác dụng của enzyme pectinase ở bước xử lí đầu tiên

Trong quy trình sản xuất nước ép táo, đầu tiên những quả táo sẽ được nghiền với một số loại máy nghiền cơ học để tạo thành hỗn hợp dịch và thịt quả Ở bước này, lượng dịch quả tạo ra rất ít do pectin trong hỗn hợp tạo liên kết giữ dịch quả bên trong tế bào và tạo thành các bã thịt quả nhỏ, không hòa tan trong hỗn hợp

Enzyme pectinase được sử dụng làm chất hỗ trợ cho quá trình phân hủy pectin, đồng thời giúp lắng các hạt hữu cơ trong hỗn hợp dịch quả Việc sử dụng enzyme pectinase không chỉ làm năng suất và độ trong của nước trái cây cao hơn mà còn giữ được các chất dinh dưỡng, màu sắc và hương vị ban đầu (Tapre AR and Jain RK, 2014)

Quá trình ứng dụng enzyme pectinase ở giai đoạn này đã được Sreekantiah và cộng

sự nghiên cứu thực hiện chi tiết qua các bước Sau khi nghiền, hỗn hợp được nung ở nhiêt

độ 60 − 650C trong 15 phút để làm bất hoạt một số enzyme có sẵn trong quả táo Hỗn hợp sau đó được làm lạnh ở 3 – 50C và bắt đầu thêm vào enzyme pectinase Quá trình này cho thấy enzyme pectinase không chỉ làm giảm lực ép ở bước loại bỏ bã mà còn giúp nước ép trong hơn (Sreekantiah et al, 1971)

Mục đích:

- Phá vỡ liên kết glycoside trong phân tử pectin để dịch quả dễ thoát ra ngoài tế bào, tạo hiệu suất trích ly dịch quả cao hơn Sự kết hợp của các enzyme có thể gia tăng hiệu quả của quá trình này Cụ thể sự kết hợp giữa hai enzyme cellulase và pectinase đã tăng sự hòa tan các polysaccharide lên 80% (Voragen et al., 1980)

- Tăng khả năng chiết rút một số chất dinh dưỡng còn lại trong tế bào

- Bã nghiền tạo thành khô ráo hơn thuận lợi cho quá trình loại bỏ

- Giảm độ lớn của áp suất ép và năng lượng cơ học, tiết kiệm chi phí

- Nếu ép hỗn hợp với áp suất lớn một phần hương liệu cũng bị mất đi, do đó việc

sử dụng pectinase cũng gia tăng hương vị của sản phẩm

3 Tác dụng của enzyme pectinase ở bước xử lí thứ hai

Hỗn hợp dịch quả sau khi được xử lí với enzyme pectinase lần đầu sẽ được mang đi

ép và lọc để loại bỏ hoàn toàn bã thịt quả không hòa tan Hỗn hợp sau quá trình này chỉ còn lại dịch quả và một số chất hòa tan trong dung dịch

Trong hỗn hợp dịch quả từ táo tồn tại một số tạp chất như tinh bột, protein và lượng pectin hòa tan chưa bị thủy phân Những tạp chất này sẽ keo tụ với nhau làm tăng độ nhớt

và độ đục của nước ép, giảm chất lượng sản phẩm Do đó, hỗn hợp tiếp tục được xử lí với enzyme pectinase và một số enzyme khác như protease và amylase Một nghiên cứu ứng dụng đồng thời 3 enzyme amylase, pectinase và cellulase được cố định trên hạt nano cho thấy hỗn hợp enzyme này làm giảm 41% độ đục của nước ép táo (Sojitra et al, 2016) Ứng dụng enzyme pectinase ở giai đoạn này tạo điều kiện cho việc ép hoặc chiết nước ép dễ dàng hơn và hỗ trợ việc tách kết tủa keo tụ bằng cách lắng, lọc hoặc ly tâm (Tapre AR and Jain RK, 2014) Bên cạnh đó, pectinase cũng có tác dụng làm trong hỗn hợp nước ép Thử nghiệm với các enzyme tinh khiết đã kết luận được rằng sự làm trong xảy ra do tác dụng kết hợp của pectin methylesterase và polygalacturonase (Endo, 1965) hoặc pectin lyase trong trường hợp nước táo có chứa pectin được ester hóa cao (> 80%) (Ishii và Yokotsuka, 1972)

Các báo cáo cho thấy enzyme pectinase cũng giúp cải thiện quá trình lọc bằng cách giảm độ nhớt của hỗn hợp dịch quả Cụ thể độ nhớt của hỗn hợp dịch táo giảm 35% sau khi ứng dụng enzyme pectinase (Tapre AR and Jain RK, 2014) Với pectinase từ

Penicillium sp độ nhớt của nước ép táo giảm xuống 4.5% và tăng độ truyền ánh sáng lên

71.8%, pectinase từ Bispora sp tăng 84% độ truyền sáng và giảm độ nhớt xuống 7,7%

(Yuan et al, 2011)

Thời gian xử lí với enzyme pectinase có thể mất từ 15 phút đến 2 giờ tùy thuộc vào nhiệt độ phản ứng, loại táo, tính chất và hàm lượng của hỗn hợp enzyme được sử dụng (Kilara, 1982)

Mục đích:

- Loại bỏ tạp chất keo tụ và giúp cho dịch ép loãng hơn Từ đó giảm áp suất lọc và giảm khối lượng chất trợ lọc

- Tăng tốc độ quá trình lọc vì sử dụng enzyme pectinase giúp kết lắng những cấu tử

nhỏ lơ lửng kể cả những cấu tử không thể nhìn thấy bằng mắt thường

- Loại bỏ tinh bột trong hỗn hợp giúp ổn định độ trong của nước ép táo và không bị vẩn đục trở lại (hai báo cáo cho thấy nước ép táo đã được cải thiện độ trong với tỉ lệ truyền ánh sáng tăng từ 1.7% lên 5.6% (Joshi et al., 2011)và 1.7% lên 20.4% (Kant et al,