BÁO CÁO TIỂU LUẬN_ENZYME CONG NGHIEP

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Công nghệ sinh học, các chế phẩm enzyme được sản xuất càng nhiều và được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực như: chế biến thực phẩm,nông nghiệp,chăn nuôi,y tế. Hàng năm lượng enzyme được sản xuất trên thế giới đạt khoảng trên 300.000 tấn với trên 500 triệu USD,được phân phối trong các lĩnh vực khác nhau. Phần lớn enzyme được sản xuất ở quy mô công nghiệp đều thuộc loại enzyme đơn cấu tử,xúc tác cho phản ứng phân hủy. Khoảng 75% chế phẩm là enzyme thủy phân được sử dụng cho việc thủy phân cơ chất tự nhiên. Qua nhiều năm ,việc gia tăng sử dụng vi sinh vật như là một nguồn cung cấp enzym đã cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất và sản phẩm được tạo ra nhiều hơn.Tuy nhiên giá thành chế phẩm enzym còn khá cao,do đó cũng hạn chế việc sử dụng rộng rãi enzyme trong sản xuất.Các chế phẩm thu được sau quá trình nuôi cấy sản xuất enzyme chưa phải là chế phẩm có độ tinh khiết cao vì protein chỉ chiếm 20-30%. Vì vậy, việc nghiên cứu cải tiến phương pháp tách và tinh chế enzyme nhằm thu được chế phẩm có độ tinh khiết cao rất cần thiết.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KTMT

TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI:

PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA ENZYME CÔNG NGHIỆP

MÔN: NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

GV: TRẦN HOÀNG NGÂU

NHÓM: 2 (thứ 2 tiết 5-6)

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 10 năm 2014

1

DANH SÁCH NHÓM

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU 4

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ENZYME 4

I Lịch sử phát triển 4

II Giới thiệu một số enzyme trong công nghiệp 5

PHẦN 2: PHẠM VI ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 6

I Enzym sử dụng trong sản xuất rượu 6

1 Quy trình sản xuất rượu 6

2 Các enzyme sử dụng trong sản xuất rượu 8

II Enzym sử dụng trong sản xuất phomai 14

1 Quy trình sản xuất 14

2 Các loại enzyme dùng trong công nghệ sản xuất phomat 15

3 Sự thay thế các các nguồn enzyme trong sản xuất pho mai hiện nay và cách cải thiện mùi vị pho mai 21

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

3

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Công nghệ sinh học, các chếphẩm enzyme được sản xuất càng nhiều và được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vựcnhư: chế biến thực phẩm,nông nghiệp,chăn nuôi,y tế Hàng năm lượng enzyme đượcsản xuất trên thế giới đạt khoảng trên 300.000 tấn với trên 500 triệu USD,được phânphối trong các lĩnh vực khác nhau Phần lớn enzyme được sản xuất ở quy mô côngnghiệp đều thuộc loại enzyme đơn cấu tử,xúc tác cho phản ứng phân hủy Khoảng75% chế phẩm là enzyme thủy phân được sử dụng cho việc thủy phân cơ chất tựnhiên Qua nhiều năm ,việc gia tăng sử dụng vi sinh vật như là một nguồn cung cấpenzym đã cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất và sản phẩm được tạo ra nhiều hơn.Tuynhiên giá thành chế phẩm enzym còn khá cao,do đó cũng hạn chế việc sử dụng rộngrãi enzyme trong sản xuất.Các chế phẩm thu được sau quá trình nuôi cấy sản xuấtenzyme chưa phải là chế phẩm có độ tinh khiết cao vì protein chỉ chiếm 20-30% Vìvậy, việc nghiên cứu cải tiến phương pháp tách và tinh chế enzyme nhằm thu đượcchế phẩm có độ tinh khiết cao rất cần thiết

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ENZYME

I Lịch sử phát triển

Trước thế kỉ XVII, người xưa đã biết sử dụng enzyme của vi sinh vật để làm bánh

mì, rượu vang,…

1833: Payen và Persoz tách được diastase từ malt

1876: Kiihne là người đầu tiên đề nghị gọi chất xúc tác sinh học là enzyme

1900: Rohm sử dụng enzyme protease trong công nghệ thuộc da

1917: Boidin & Effront nghiên cứu α-amylase của B.subtilis và ứng dụng trongngành dệt

1920 – 1928: Will Slitter tinh sạch được enyzme

1972: Boyer et al đưa ra kỹ thuật di truyền Kỹ thuật này có tác động tích cực trongcông nghệ enzyme.

1984 – nay: đã phát hiện hàng trăm loại enzyme khác nhau, đưa vào sản xuất côngnghiệp và ứng dụng rộng rãi enzyme trong sản xuất và đời sống kỹ thuật enzyme cốđịnh, tế bào cố định đã đưa công nghệ enzyme đạt được nhiều kết quả cao

II Giới thiệu một số enzyme trong công nghiệp

Enzyme là những protein có khả năng xúc tác cho các phản ứng trong cơ thể sống của nhiều loài sinh vật Hiện nay, có nhiều enzyme được sử dụng rộng rãi như:

Protease Protein, polypeptide  Bột giặt và chất tẩy rửa

I Enzym sử dụng trong sản xuất rượu

1 Quy trình sản xuất rượu

Quá trình sản xuất rượu cần trải qua các công đoạn:

Chọn nguyên liệu →ngâm nước và làm sạch→ nấu chín → để nguội → trộn bánh men → lên men → chưng cất → thành rượu

+ Chọn nguyên liệu: Gạo, nếp hoặc các loại

nông sản có hàm lượng tinh bột cao thường

chứa khoảng 14% nước và trên 74% tinh bột

Nguyên liệu tốt không sâu mọt, mốc, không lẫn

tạp chất khác, …

+ Ngâm và làm sạch: cho nguyên liệu thô từ

những thùng chuyên dụng để làm sạch với thời

gian đủ dài để loại bỏ hết các chất bẩn Trong quá trình ngâm nguyên liệu hút nước

và trở nên mềm hơn, rút ngắn được thời gian nấu Thời gian cần thiết là từ 3-6h tùythuộc vào nhiệt độ và độ ẩm môi trường

+ Nấu chín: sau khi ngâm xong, nguyên liệu được để ráo, tiếp tục cho vào nồi, thêmnước và nấu chín Lượng nước phải phù hợp (theo tỉ lệ 1:1) để sản phẩm không bịnhão hay sống Mục đích của việc này nhằm hồ hóa tinh bột giúp vi sinh vật dễ sửdụng trong quá trình lên men Đây là giai đoạn cần bổ sung enzyme để tăng khả năngsản xuất.

+ Làm nguội: nguyên liệu sau khi nấu chín dược trãi đều lên bề mặt phẳng để giảmnhiệt độ vì nhiệt độ cao làm bánh men khó hoạt động

+ Trộn bánh men: bánh men được trộn vào bằng cách bóp nhỏ và rắc đều lên bề mặtlớp gạo với tỉ lệ thích hợp Sau đó cho tất cả vào khạp lớn, đậy nắp để bắt đầu quátrình lên men

+ Lên men: là một quá trình lên men yếm khí diễn ra rất phức tạp, bao gồm quá trìnhsinh hóa học và quá trình vi sinh vật Quá trình lên men diễn ra ở nhiệt độ thường,trong thời gian này có 3 quá trình diễn ra song song với mức độ khác nhau Đầu tiên

là quá trình tăng sinh khối nấm men Tiếp theo là quá trình đường hóa có sự phân cắttinh bột thành đường nhờ men amylase và glucoamylase trong nấm mốc Cuối cùng,đường được tạo ra trở thành thức ăn để nấm men thực hiện lên men

+ Chưng cất: Khi quá trình lên men kết

thúc, ta tiến hành chưng cất để thu được

rượu thành phẩm Quá trình này nhằm

tách hỗn hợp rượu và nước có nhiệt độ sôi

khác nhau Khi chưng cất rượu bay hơi ra

khỏi nước, được dẫn qua ống dẫn và làm

lạnh bằng cách cho qua bồn nước để

ngưng tụ

+ Thành rượu: Dung dịch rượu thu được trong suốt có mùi đặc trưng và nồng độrượu sẽ giảm dần theo thời gian chưng cất

7

2 Các enzyme sử dụng trong sản xuất rượu

2.1 Enzyme protease

Protease (hay peptidase hoặc proteinase) là nhóm enzym thủy phân có khả

9

Enzyme protease

M ô

h ì n h

e n z y m e

p r o t e a s e

PROTEASE

M ô

h ì n h

e n z y m e

p r o t e a s e

năng cắt mối liên kết peptide (-CO~NH-) trong các phân tử polypeptide.

Phân loại

Protease được phân thành hai nhóm lớn: exopeptdase và endopeptidase

Ngoài ra, protease có thể được phân loại theo các tối ưu pH mà chúng hoạt động:

 Protease axit

 Protease trung tính có liên quan đến loại 1 quá mẫn Ở đây, nó được phát

hành bởi các tế bào mast và gây hoạt hóa bổ sung và kinins Nhóm này bao gồm

các calpains

 Protease cơ bản (protease kiềm)

Vai trò của protease trong sản xuất rượu

Protease được sử dụng trong công đoạn nấu chin của rượu Khi xử lí chế phẩm bằng

protease, liên kết peptid trong tinh bột bị cắt đứt, dung dịch đường hóa tích tụ nhiều

amino acid, trong khi đó amino acid là thành phần dinh dưỡng cần thiết cho nấm

men

Enzyme protease

M ô

h ì n h

e n z y m e

p r o t e a s e

PROTEASE

M ô

h ì n h

e n z y m e

p r o t e a s e

Nguồn gốc thu nhận enzyme

Enzyme protease là protein được sinh vật tổng hợp trong tế bào và là chất tham giaxúc tác cho mọi phản ứng sinh học Chính vì thế, mọi vi sinh vật đều được xem lànguồn thu nhận để sản xuất enzyme Nhưng vẫn chủ yếu là 3 nguồn chính: động vật,thực vật, vi sinh vật

Nguồn động vật: Thông thường protease được thu nhận từ tuyến tiêu hóa của độngvật (niêm mạc dạ dày, niêm mạc ruột, tuyến tụy…)

Nguồn thực vật :Có 3 loại protease thực vật như :Bromelain (từ dứa), Papain (đu đủ)

và Ficin (nhựa cây cọ)

Nguồn vi sinh vật

Vi sinh vật là nguồn thu nhận enzyme khổng lồ, enzyme

protease phân bố chủ yếu vi khuẩn, nấm mốc và xạ khuẩn,

…gồm các loài thuộc Aspergillus, Bacillus, Penicillium,

Clotridium, Streptomyces và một số loại nấm men

2.2 Enzyme cellulase

dụng thủy phân cellulose thông qua việc

thủy phân liên kết -1,4-glucoside trong

cellulose Cellulase có khả năng thủy phân

 1,4--D-glucan cellobiohydrolase

 1,4--D-glucan 4-glucanohydrolase

 -D-glucoside glucohydrolase

Vai trò của cellulase trong sản xuất rượu

Các hợp chất hữu cơ có chứa cellulose được nghiền nhỏ và trộn với dịchenzyme cellulase Hỗn hợp được khuấy trộn đều để phân hủy cellulose Dịch đường được tạo ra là hỗn hợp của nhiều loại đường như: xylose, glucose, galactose,

mannose, arabinose, acid glucuronic, acid galacturonic, Lên men hỗn hợp đường này bằng nấm men Saccharomyces cerevisiae để tạo ethanol

Nguồn gốc thu nhận

Ở động vật: nguồn thu nhận chủ yếu ở dịch tiết dạ dày bò, các nhóm thân mềm…

Ở thực vật: thường được thu nhận trong các loại hạt ngũ cốc nảy mầm như đại mạch, yến mạch, mạch đen,…

Ở vi sinh vật: chủ yếu trong các loại xạ khuẩn,

vi khuẩn, nấm men, nấm sợi,…

Trong thực tế người ta thường thu nhận

enzyme cellulase từ vi sinh vật Các chủng vi

sinh vật thường sử dụng:

- Nấm mốc: Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus candidus…

- Xạ khuẩn: Actinomyces griseus, Streptomyces reticuli…

- Vi khuẩn: Acetobacter xylinum, Bacillus subtilis, Bacillus pumilis…

2.3 Enzyme amylase

Là một enzyme thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc

tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm

polysaccharide với sự tham gia của nước Amylase thủy phân tinh bột, glycogen vàdextrin thành glucose, maltose và dextrin hạn chế.

Phân loại

Hiện nay, có sáu loại enzyme amylase đươc xếp vào 2 nhóm: Endoamylase (enzymenội bào) và Exoamylase (enzyme ngoại bào)

Vai trò của enzyme amylase

Trong quy trình sản xuất rượu người ta thường sử dụng enzyme pullulanase vàenzyme glucoamylase (2 enzyme thuộc enzyme amylase)

- Enzyme pullulanase: Tham gia thủy phân liên kết  – 1,6 glucoside trong cácpoly và oligosacharide trong trường hợp liên kết này được bao quanh bởi liênkết  – 1,4 glucoside Dextrin có phân tử thấp, dễ bị pululanse phân hủy tạothành từ 2 gốc maltose, nối với nhau bằng liên kết  – 1,6 glucoside Nếu có

sự kết hợp của  – amylase và pululanase, dextrin sẽ bị thủy phân hoàn toàn

13

- Enzyme glucoamylase: Glucoamylase thủy phân kiên kết  – 1,4 glucosetrong các polysacharide Ngoài ra enzyme này còn có khả năng phân cắt liênkết  – 1,6 glucoside Phần lớn các glucoamylase hoạt động ở pH không cao.Nhiệt độ tối ưu là 55 – 60°C Sản phẩm cuối cùng của quá trình thủy phânnày là glucose.

Nguồn thu nhận

Động vật: có trong tụy tạng của động vật Tụy

tạng là ống dạng chùm, dài, lớn, nằm ngang

phía sau dạ dày , giữa lá lách và tá tràng

Chiều dài của tụy tạng khoảng 30-35cm, và

nặng khoảng 80-150g Bên trong có những

vách ngăn nhỏ chia tụy tạng thành nhiều thùy

nhỏ Tụy tạng vừa có chức năng nội tiết vừa

có chức năng ngoại tiết

Thực vật: được lấy từ nhiều nguồn như:

 Đại mạch (Hordeum sativum) : có giống hai hàng và giống nhiều hàng (4,6hàng ), trong đó người ta sử dụng loại hai hàng để sản xuất malt làm bia,những loại còn lại để làm thức ăn cho gia súc

 Lúa (Oryza sativa L.) : Chủ yếu ở vùng Đông Nam Á

 Ngô ( Zea mays ): có nhiều loại ngô : ngô đá, ngô bột , ngô răng ngựa Hạtngô có màu trắng, màu vàng hay màu hồng Ngô màu vàng do có sự hiện diệncủa carotenoid và zeaxanthine ở trong nội nhũ , ngô màu hồng là do trong nộinhũ của ngô có anthocyanin

Vi sinh vật :

Ngày nay do ưu thế về nhiều mặt , VSV trở thành nguồn thu enzym amylasechủ đạo Những chủng VSV tạo nhiều amylase thường được phân lập từ các nguồn tự

nhiên VSV tạo amylase được dùng nhiều hơn cả là nấm sợi, giả nấm men và vikhuẩn , còn xạ khuẩn thì ít hơn

Các giống nấm sợi thường dùng là giống nấm sợi Aspergillus, Rhizopus

Nấm men và giả nấm men thuộc các giống Candida, Saccharomyces Endomycopsy,

Endomyces cũng tạo amylase

Nhiều vi khuẩn có khả năng tạo lượng lớn amylase như : Bac.

Polymyxa , Phytomonas destructans, Bact Cassavanum, Clostridium acetobutylium, Pseudomonas saccharophila…các vi khuẩn ưa nhiệt có khả năng sinh

trưởng nhanh và phát triển tốt ở nhiệt độ cao nên khi nuôi chúng ít bị nhiễm VSV

khác Đáng chú ý là Bac Diastaticus, Bac Stearothermophilus, Bac Coagulans,

Bac circulans

Trong nhóm xạ khuẩn rất hiếm gặp loại tạo amylase mạnh mẽ , tuy nhiên cũng có

một số chẳng hạn như xạ khuẩn ưa nhiệt Micromonospora vulgari.

15

II Enzym sử dụng trong sản xuất phomai

1 Quy trình sản xuất

EMC (enzyme modified cheese):

Phô mai đã được xử lí enzyme để tăng mùi vịđược gọi là EMC Enzyme có thể được thêmvào suốt quá trình sản xuất phô mai hay sau khikhối đông được ép hay thậm chí sau quá trình

ủ Để sản xuất ra loạt phô mai có cùng thànhphần mùi vị đặc trưng ta có thể bổ sung enzyme vào sữa hay khồi đông tươi (freshcurd) Sự sản xuất phô mai này có thể được thúc đẩy bằng quá trình ủ có điều khiển

quá trình tương tự thế cũng được sử dụng để sản xuất phô mai “highly flavored” bằngcách lựa chọn các điều kiện sản xuất.Ủ trong nhiều tháng thường được yêu cầu cho

sự phát triển mùi vị trong mỗi trường hợp

Sự đa dạng mùi vị có thể được tạo ra bằng cách sử dụng kĩ thuật enzyme, và thực tế

là một số lượng sản phẩm EMC khác nhau được thương mại hóa bao gồm phô maicheddar gắt, dịu hay trung bình như các loại khác: Colby, Swiss, Provolone, Romano,Mozzarella, Parmesan, Brick

Nguồn lipase bao gồm: lipase có trong sữa, chế phẩm rennet, vi sinh vật

Vài loại lipase phổ biến: lipase sữa, lipase tụy (pancreatic enzyme), lipase nguồn gốcthực vật( trong rau trái và loại hạt như lúa mì, yến mạch, mạch đen, cotton, đậunành, ), lipase nguồn gốc vi sinh vật( gồm nấm men Candida và Torulopsi; nấm mốcRhizopus, Penicillium, Aspergillus, Geotrichum, Mocur , vi khuẩn Staphylococcus)

2 Các loại enzyme dùng trong công nghệ sản xuất phomat

a.NGUỒN LIPASE DÙNG TRONG SẢN XUẤT PHOMAT

 LIPASE TRONG SỮA:

Nguồn lipase trong sữa là lipoprotein

lipase

Sữa bò chiềm 12mg lipase/l Tuy

nhiên,hầu hết lipase trong sữa liên kết với

các micelle casein và chất béo được màng

lipoprotein bao bọc Do cơ chất và

enzyme tách rời nhau nên sự phân giải

chất béo không xảy ra trừ khi màng

lipoprotein bị phá vỡ

 LIPASE TỪ RENNET:

17

Chế phẩm rennet có chất lượng tốt thì không chứa hoạt tính thủy phân chất béo Tuynhiên, rennet dùng trong sản xuất phô mai Ý (như Romano, Provolone) lại có chứalipase, pregastric esterase(PGE).

PGE hay còn gọi lingual ở miệng Nó do các tuyến cơ lưỡi ở miệng tạo nên Khiđộng vật nhai lại bú sữa sẽ kích thích tiết PGE, PGE sẽ theo sữa vào dạ dày khế.PGE được tinh chế một phần từ chế phẩm thương mại và mô rang của bê

Tùy theo nguồn

PGE ( bê, cừu…)

Sữa bò và hầu hết các loại sữa khác đều có chứa 2 nhóm protein, đó là casein(phosphoprotein không tan ở pH 4,6) và các protein còn lại Nhóm nầy bao gồm cácprotein như β-lactoglobulin, α-lactalbumin, một lượng nhỏ albumin,immunoglobulin, vi lượng lactotransferrin và khoảng 40 loại enzyme khác nhau.Trong sữa bò, casein chiếm khoảng 80% nitơ tổng số và bao gồm 4 loại protein là

αs1, αs2, β và κ-casein với tỷ lệ tương ứng là 40:10:35:12 Các protein αs1, αs2, βchứa 8-9, 10-13, 4-5 gốc phosphate trong phân tử.Những gốc phosphate nầy có khảnăng liên kết với Ca2+ và kết tủa mạnh khi nồng độ Ca2+> 6mM Riêng phân tử κ-casein chỉ chứa 1 nhóm phosphate và tồn tại ở dạng hoà tan kể cả khi có mặt mộtlượng tương đối lớn Ca2+ κ-casein tương tác kỵ nước với αs1, αs2, β-casein và làmcho các protein nầy tan trong nước Cứ mỗi phần κ-casein có thể tạo dạng hạt keovới 10 phần αs1, αs2 và β-casein Về mặt cấu trúc, các casein nhạy cảm với Ca2+(αs1, αs2 và β-casein) liên kết kỵ nước với nhau và tạo thành phần nhân của hạt keo.Phân tử κ-casein có 2/3 kỵ nước và phần nầy sẽ liên kết với nhân hạt keo, phần hiếunước hướng ra ngoài tạo nên 1 cấu trúc dạng “lông nhím” khiến các hạt keo khôngthể tiếp xúc với nhau, do vậy đảm bảo độ tan của protein.

Trong công nghệ truyền thống, rennet được tách chiết từ mô ruột của động vật bằngdung dịch muối NaCl 10% Sau đó enzyme được bảo quản trong dung dịch muốiNaCl 20% có bổ sung natri benzoate hoặc natri propionate Rennet bò thuộc loạiphẩm chất tốt thường có chứa 90% chymosin và phần còn lại là pepsin (tính theoprotein) Chymosin trong tự nhiên phục vụ quá trình đông tụ sữa ở dạ dầy bê non Dovậy các đặc tính của chymosin không thể là tối ưu cho sản suất phomat Điều nầycũng có nghĩa là chymosin còn có thể được cải biến để thích ứng tốt hơn nữa chocông nghệ sản xuất phomat Huớng phát triển hiện nay trong nghiên cứu chymosin làthay đổi cấu trúc enzyme nhằm gia tăng hiệu suất thuỷ phân một số liên kết nhất địnhtrong casein và hạn chế đối với những liên kết khác

Trong quá trình làm chín phomat, phản ứng thuỷ phân pretein không kiểm soát có thểdẫn tới những tác động bất lợi, ví dụ làm đắng phomat

Protein trong sữa có thể được kết tủa bằng axit lactic sinh ra bởi vi sinh vật, hoặcbằng enzyme rennet Hầu hết các loại phomat hiện nay được sản xuất dựa trên đồngthời cả 2 cơ chế nầy Giai đoạn đầu của quá trình đông tụ được thực hiện bởi rennet,axit lactic đóng vai trò hỗ trợ trong giai đoạn sau

LIPASE TỪ VI SINH VẬT:

19