ENZYME VÀ ỨNG DỤNGENZYME TRONG CÔNGNGHỆ THỰC PHẨM

1. Khái niệm22. Phân loại22.1. Oxydoreductase.22.2. Tranferase.22.3. Hydrolase.32.4. Liase.32.5. Isomerase.32.6. Sythetase.43. Tính chất43.1. Cường lực xúc tác43.2. Tính đặc hiệu của enzyme43.2.1. Đặc hiệu phản ứng.43.2.2. Đặc hiệu cơ chất.53.2.3. Đặc hiệu quang học.53.3. Hoạt độ enzyme.53.4. Độ sạch của enzyme.64. Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm.64.1. Pectinase.64.2. Amylase84.2.1. Đặc điểm.84.2.2. Ứng dụng94.2.2.1. Trong sản xuất bia94.2.2.2. Trong sản xuất rượu.94.2.2.3. Trong sản xuất bánh kẹo104.3. Cellulase104.4. Protease11Tài liệu tham khảo14

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

PHỤ GIA THỰC PHẨM

TP HỒ CHÍ MINH, 11/2013

ENZYME VÀ ỨNG DỤNG

ENZYME TRONG CÔNG

NGHỆ THỰC PHẨM

MỤC LỤC

1 Khái niệm 2

2 Phân loại 2

2.1 Oxydoreductase 2

2.2 Tranferase 2

2.3 Hydrolase 3

2.4 Liase 3

2.5 Isomerase 3

2.6 Sythetase 4

3 Tính chất 4

3.1 Cường lực xúc tác 4

3.2 Tính đặc hiệu của enzyme 4

3.2.1 Đặc hiệu phản ứng 4

3.2.2 Đặc hiệu cơ chất 5

3.2.3 Đặc hiệu quang học 5

3.3 Hoạt độ enzyme 5

3.4 Độ sạch của enzyme 6

4 Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm 6

4.1 Pectinase 6

4.2 Amylase 8

4.2.1 Đặc điểm 8

4.2.2 Ứng dụng 9

4.2.2.1 Trong sản xuất bia 9

4.2.2.2 Trong sản xuất rượu 9

4.2.2.3 Trong sản xuất bánh kẹo 10

4.3 Cellulase 10

4.4 Protease 11

1 Khái niệm.

Enzyme là chất xúc tác sinh học có bản chất protein làm nhiệm vụ xúc tác cho các phản ứng sinh hóa xảy ra trong cơ thể vi sinh vật Với nhiều tính chất nổi bật, enzyme ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và chúng được xem là một phụ gia thực phẩm

Với vai trò là một chất phụ gai thưc phẩm, enzyme được ứng dụng trong sản xuất thực phẩm với vai trò là chất tạo độ nổi trong sản xuất bánh mì, trong sản xuất yaout, được thêm vào giúp các sản phẩm thịt mềm hơn, làm trong dịch quả trong sản xuất nước giải khát…

Enzyme có nguồn gốc từ động vật thực vật, và chủ yếu là từ vi sinh vật

2 Phân loại.

Theo tính chất đặc hiệu xúc tác các phản ứng, enzyme được chia thành các nhóm sau:

2.1 Oxydoreductase.

Nhóm enzyme này có nhiệm vụ xúc tác cho các phản ứng oxi hóa khử, vận chuyển

H+ hay các điện tử và xúc tác cho sự oxihoa sinh học

Các enzyme thường gặp trong nhóm này là: dehydrogenase, oxydase, peroxidase, catalase,…

Cơ chất bị oxy hóa được xem như là cho hidro hoặc electron Các dehidrogenaz, oxidaz thuộc lớp này nhưng oxidaz chỉ sử dụng oxi làm chất nhận Một số enzyme thuộc lớp này không thể hiện rõ tính đặc hiệu đối với chất nhận hydro hoặc electron

2.2 Tranferase.

Các enzyme thuộc nhóm này làm nhiệm vụ vận chuyển các nhóm hóa học từ hợp chất này sang hợp chất khác mà không làm thay dổi hóa trị của các nguyên tố

Phản ứng tổng quát là: AX + B A + BX

Trong nhóm này, enzyme được chia thành các nhóm nhỏ:

Chuyển nhóm carbon đơn như methyl, carboxyl,…

Chuyển nhóm aldehyde hoặc cetone, có 2 enzyme điển hình là transketolase (chuyển 2C) và transaldolase (chuyển 3C)

Chuyển gốc acyl, acyltransferase

Chuyển gốc glycosyl, glycosyl transferase

Chuyển nhóm đạm, aminotransferase

Chuyển nhóm phosphate, phosphotransferase

Chuyển nhóm lưu huỳnh, sulphurtransferase

2.3 Hydrolase.

Các enzyme thuộc nhóm này xúc tác cho các phản ứng thủy phân các hợp chất hữu

cơ với sự tham gia của nước Dựa vào liên kết trong hợp chất hữu cơ enzyme thuộc các nhóm nhỏ sau:

Peptidase: thủy phân liên kết peptide

Glycosidase: thủy phân liên kết glycoside

Esterase: thủy phân liên kết ester

Amidase: thủy phân amide

2.4 Liase.

Enzyme thuộc nhóm này phân cắt một nhóm chất nào đó ra khỏi một hợp chất, không có sự tham gia của nước

Một số enzyme thuộc nhóm này như:

Decacbonxylase: xúc tác phản ứng chuyển aminoacid thành amine

Adolase: xúc tác một số phản ứng thuận nghịch

Hydratase( hydroliase) xúc tác cho phản ứng loại trừ và kết hơp nước

2.5 Isomerase.

Các enzyme xúc tác cho các phản ứng chuyển hóa các chất hữu cơ thành đồng phân của chúng, chuyển hóa giữa dạng cetose và dạng aldehyde, giữa dạng L và dạng D

Ví dụ:

Enzyme Trioso(P)isomerase xúc tác cho phản ứng giữa photphodioxiacetose và aldelhyd(P)glyceric

Enzyme alaninracemase xúc tác cho phản ứng biến đổi L-alanine thành D-alanine

và ngược lại

2.6 Sythetase.

Các enzyme xúc tác cho các pahnr ứng tổng hợp các hợp chất hữu cơ

Ví dụ:

Enzyme asparaginsynthetase xúc tác cho phản ứng tổng hợp Asparagine từ Aspatic acid và NH3

Enzyme Glutamiminsynthenase xúc tác cho sự tổng hợp Glutamine từ Glutamic cidv và NH3

Acetyl- CoA-Sythetase tổng hợp Acetyl-CoA từ Acetic acid

3 Tính chất.

3.1 Cường lực xúc tác.

Enzyme là một chất xúc tác sinh học nên có đầy đủ các tính chất của một chất xúc tác, tuy nhiên cường lưc xúc tác của enzyme lại mạnh hơn chất xúc tác thông thường

1 mol Fe3+ chỉ xúc tác phân ly được 10-6 mol H2O2 trong một phút nhưng nếu sử dụng catalase số mol phân tử H2O2 trong một phút là 5.10-6

3.2 Tính đặc hiệu của enzyme.

Đây là một trong những đặc tính cơ bản và quan trọng nhất điều này thể hiện rõ qua việc enyme chỉ xúc tác cho một trong vô số những chuyển hóa có thể có được đối với các chất

Tính đặc hiệu của enzyme bao gồm: đặc hiệu cơ chất và đặc hiệu phản ứng

3.2.1 Đặc hiệu phản ứng.

Đặc hiệu phản ứng tức là enzyme chỉ xúc tác cho một dạng phản ứng trong số các phản ứng và xúc tác cho phản ứng đó

3.2.2 Đặc hiệu cơ chất.

Mỗi enzyme chỉ xúc tác cho một hoặc một vài cơ chất nhất định và mức độ đặc hiệu này tùy thuộc vào từng loại enzyme hay nói cách khác không phải mọi cơ chất có khả năng phản ứng đều được enzyme tiếp nhận như nhau Do đó mức độ đặc hiệu của enzyme được chia thành 3 mức:

Đặc hiệu tương đối: enzyme chỉ có thể tác dụng lên một liên kết hóa học nhất định

mà không phụ thuộc vào các nhóm hóa học nằm hai bên liên kết

Đặc hiệu nhóm: enzyme chỉ có thể tác dụng lên một kiểu liên kết hóa học nhất định

và một trong hai nhóm nằm hai bên liên kết cũng phải có cấu tạo nhất định

Đặc hiệu tuyệt đối: enzyme chỉ có thể tác dụng lên một kiểu liên kết hóa học nhất định và các nhóm hóa học ở hai bên liên kết cũng phải xác định

3.2.3 Đặc hiệu quang học.

Hầu như tất cả các enzyme đều có tính đặc hiệu không gian rất chặt chẽ, điều này thể hiên qua việc enzyme chỉ tác dụng với một trong hai dạng đồng phan quang học của

cơ chất

Ví dụ như faramrate hydratase chỉ tác dụng với L-malic aicd mà không tác dụng với D-malic acid trong phản ứng khức nước của acid malic để tạo thành furamic acid

3.3 Hoạt độ enzyme.

Đây là một trong những tính chất quan trọng bởi nó quyết định sự hiệu quả cũng như tốc độ các quá trình trong dây chuyền sản suất hoạt độ enzyme càng cao đồng nghĩa với việc phản ứng được xúc tác càng nhiều và thời gian sản xuất càng ngắn

Hoạt độ enzyme được tính theo (U) là lượng enzyme có khả năng xúc tác làm chuyển hóa 1 micromole (1 μmolmol ) cơ chất trong một phút

Ngoài ra còn có thêm Katl (Kat) là lượng enzyme có khả năng xúc tác làm chuyển hóa một mol cơ chất sau một giây ở điều kiện tiêu chuẩn

3.4 Độ sạch của enzyme.

Ngoài việc đánh giá mức độ hoạt động còn cần phải đánh giá độ sạch của enzyme

Độ sạch của enzyme được đánh giá và đặc trưng bởi hoạt độ riêng của enzyme Hoạt độ riêng tức là số đơn vị enzyme trong một miligram protein (U / mg ) của một gram chế phẩm hoặc một mililitre dung dịch enzyme

4 Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm.

Việc sử dụng enzyme trong sản xuất thực phầm có rất nhiều ưu điểm hơn hẳn các loại xúc tác thông thường như cường lực xúc tác cao, an toàn, không độc, tính đặc hiệu cao, có thể taác dụng ở những điều kiện nhẹ nhàng, đơn giản

Việc sản xuất enzyme từ các nguyên liệu giá rẻ nhưng đem lại hiệu quả kinh tế cao nên ngày càng được ứng dụng rộng rãi

Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm đó là cần phải đảm bảo những điều kiện về nhiệt độ tối ưu, pH môi trường ổn định thì việc sử dụng enzyme mới có hiệu quả thật sự

4.1 Pectinase.

Pectinase là nhóm enzyme xúc tác cho sự thủy phân pectin, đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, nhất là trong công nghiệp sản xuất các loại nước ép trái cây Đặc biệt, dạng enzyme cố định được sử dụng rất hiệu quả vì có nhiều ưu điểm hơn hẳn dạng enzyme thông thường (enzyme hòa tan) Pectinase đã được dùng trong một số ngành công nghiệp thực phẩm sau:

Sản xuất rượu vang

Sản xuất nước quả và nước uống không có rượu

Sản xuất các mặt hàng từ quả: quả cô đặc, mứt

Sản xuất nước giải khát.

Sản xuất cà phê

Chế phẩm pectinase được sử dụng trong sản xuất nước quả từ các nguyên liệu quả nghiền hay để làm trong nước quả ép Bời vì khi có pectin thì khối quả nghiền sẽ có trạng thái keo, do đó khi ép dịch quả không thoát ra được Nhờ pectinase mà nước quả trong suốt, dễ lọc, hiệu suất tăng Pectinase còn góp phần chiết rút các chất màu, tanin và các chất hòa tan khác, do đó làm tăng chất lượng của thành phẩm Những nghiên cứu cho thấy khi ép nho có xử lý bằng pectinase không những làm tăng hiệu suất mà còn làm tăng màu sắc

Việc bổ sung pectinase vào dịch quả có rất nhiều lợi ích, đặc biệt đối với táo là một loại quả có kết cấu mềm Pectinase dùng cho dịch nghiền táo có một tỷ lệ lớn pectin esterase và polygalacturonase Những loại enzyme này làm giảm một cách nhanh chóng

độ nhớt và độ dính của bột táo nhão mà không làm ảnh hưởng đến protopectin hay làm giảm khả năng ép của nó Hoạt động của hỗn hợp enzyme bao gồm xenlulase và

hemixenlulase có thể phá vỡ thành tế bào và làm tăng hiệu suất sản xuất sản phẩm nước quả nói chung lên 5 – 10% Tuy nhiên kèm theo đó còn có sự tăng lên của cellobiose Khi hỗn hợp enzyme này được sử dụng nên dùng với lượng ít nhất có thể và trong khoảng thời gian ngắn nhất nhằm làm giảm đến mức tối thiểu lượng cellobiose sinh ra

Trong sản xuất mứt nhừ, mứt đông nhờ pectinase mà dịch quả có nồng độ đâm đặc hơn

Dứa, cà chua khi đưa vào sản xuất có độ chín khác nhau, phải qua giai

đoạn ủ chín để chuyển hóa protopectin về dạng pectin hòa tan nhờ enzyme pectinase Hoặc sau khi chà sẽ đưa enzyme pectinase vào để phá vỡ màng tế bào thực vật giúp tạo ra các vết nứt trên quả tạo thành rãnh thoát dịch chiết ra ngoài làm tăng hiệu suất chiết dịch quả

Cũng giống như protease, chế phẩm pectinase được thu nhận từ vi sinh vật, nấm mốc, xạ khuẩn đặc biệt là các chủng nấm Asp Ficuum và Asp Niger có khả năng tổng

4.2 Amylase.

INS: 1100

EC 3.2.1.1

Amylase là một hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới vi sinh vật những enzyme này thuộc nhóm enzyme thủy phân xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm polysaccharide với sự tham gia của nước

R−R '+H −OH → R−H +R '−OH

Almylase được sử dụng rất nhiều trong ngành thực phẩm đặc biệt là α−amylase

Do amylase có tác dụng thủy phân tinh bột thành đường nên nó được dùng như một chất được thêm vào nhằm làm giảm độ dính, tăng độ đàn hồi của bột nhào, hương vị, trong sản xuất bánh mì; thủy phân tinh bột để sản xuất siro; tăng mùi vị cho bánh kẹo;

…

4.2.1 Đặc điểm.

Dễ tan trong nước, dung dịnh muối và rượu loãng

α−amylase có tính acid yếu và có tính chất của globulin

pI=4,2 – 5,7

Bền với nhiệt độ hơn các enzyme khác

Bị kìm hãm bởi các kim loại nặng như C u2 + ¿, Ag2 + ¿,Hg2+ ¿ ¿ ¿

¿

Cơ chế tác dụng của α−amylase

α−amylase có khả năng phân cách liên kết α−1,4−glucoside bên trong phân tử cơ chất một cách ngẫu nhiên không theo một trình tự nào Quá trình này gồm hai giai đoạn:

Giai đoạn đầu (dextrin hóa): chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo ra một lượng lớn α−dextrin Độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh chóng

Giai đoạn hai (đường hóa): α−dextrin tiếp tục bị thủy phân thành tetra-trimaltose, sau đó các chất này bị thủy phân rất chậm tạo thành disaccharide và cuối cùng là

monosaccharide

4.2.2 Ứng dụng

4.2.2.1 Trong sản xuất bia.

Trong công nghệ sản xuất bia truyền thống, các nước phương Tây chủ yếu sử dụng enzyme amylase của malt để thủy phân tinh bột trong malt, sau đó đến giai đoạn rượu hóa bởi nấm men Saccharomyces sp Cơ sở khoa học của việc sử dụng amylase của malt ở chỗ, khi đại mạch chuyển từ trạng thái hạt sang trạng thái nảy mầm (malt), enzyme

amylase sẽ được tổng hợp và khi đó enzyme này sẽ thủy phân tinh bột có trong hạt tạo ra năng lượng và vật chất cho sự tạo thành mầm Như vậy việc đường hóa tinh bột trong hạt nhờ enzyme của chính nó Khi đó hạt chỉ tổng hợp ra lượng enzyme amylase vừa đủ để phân hủy lượng tinh bột có trong hạt Như thế cần rất nhiều mầm đại mạch để sản xuất bia

ở qui mô lớn, dẫn đến chi phí cao cho sản xuất và sản phẩm

Để khắc phục điều này, trong quá trình lên men tạo bia thì nhà sản xuất không sử dụng hoàn tòan 100% nguyên liệu là malt đại mạch mà có sự pha trộn theo một công thức nào đó để thay thế malt và còn bổ sung nguồn tinh bột cho quá tờinh lên men Lý do là một phần đẽ tạo hương vị cho bia, màu sắc, độ cồn phù hợp cho người tiêu dùng và một phần là làm giảm giá thành cho sản phẩm bia nhưng vẫn giữ được đặc trưng cho bia Chính vì điều này, các nhà sản xuất bia quan tâm đến việc sử dụng chế phẩm enzyme amylase cung cấp cho quá trình thủy phân tinh bột Enzyme này có ý nghĩa rất lớn trong việc làm bia, giúp sản xuất bia ở qui mô công nghiệp

Ngoài ra, trong sản xuất bia, người ta còn sử dụng chế phẩm enzyme cellulose có tác dụng phá vỡ thành tế bào, tạo điều kiện để các thành phần có trong tế bào hạt thoát ra ngoài nhờ đó chất lượng bia được nâng cao hơn Một loại enzyme khác cũng được sử dụng khá rộng rãi đó là gluco amylase, enzyme này được sử dụng để loại trừ O2 có trong bia, giúp quá trình bảo quản bia kéo dài hơn rất nhiều

Để sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu tinh bột, mỗi nước sử dụng loại nguyên liệu khác nhau Ví dụ, ờ Mỹ người ta sử dụng nguyên liệu từ bột ngô để sản xuất cồn, còn ở Brazin lại sử dụng khoai mì, các nước khác sử dụng gạo hoặc tấm từ gạo Qúa trình sản xuất cồn trải qua hai giai đọan: giai đọan đường hóa và giai đọan rượu hóa,

Giai đoạn đường hóa: Người ta bắt buộc phải sử dụng enzyme amylase (không thể

sử dụng phương pháp thủy phân tinh bột bằng acid ) Nhờ kỹ thuật này nên có thể tiết kiệm được một khối lượng malt khổng lồ trong sản xuất rượu

Giai đoạn rượu hóa: nhờ nấm men Saccharomyces cerevisiae, cũng có thể xem đây

là một quá trình áp dụng enzyme Qúa trình rượu hóa là quá trình hết sức phức tạp, trải qua rất nhiều giai đoạn chuyển hóa từ đường thành cồn nhờ sự tham gia của nhiều

enzyme khác nhau Điểm khác với enzyme amylase là các enzyme tham gia quá trình rượu hóa nằm trong tế bào nấm men Việc điều khiên các quá trình chuyển hóa bởi

enzyme trong tế bào thực chất là quá trình trao đổi chất của nấm men trong môi trường chứa đường

4.2.2.3 Trong sản xuất bánh kẹo.

Khi chế biến bột thành bánh quy thì người ta bổ sung enzyme amylase hoạt động làm tăng các amino acid tự do và làm tăng lượng đường khử Đường khử và các amino acid tự do có trong khối bột sẽ cùng tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử và kết quả tạo cho bánh quy có mùi vị, màu hấp dẫn

4.3 Cellulase.

EC 3.2.1.4

Cellulose là thành phần cơ bản của tể bào thực vật, vì vậy nó có mặt trong mọi loại rau quả cũng như trong các nguyên liệu,phế liệu của các ngành trồng trọt và lâm nghiệp Nhưng người và động vật không có khả năng phân giải cellulose Cellulase là enzyme xúc tác cho quá trình chuyên hoá Cellulose thành các sản phẩm hoà tan Nó chỉ có giá trị làm tăng tiêu hóa, nhưng với lượng lớn nó trở nên vô ích hay cản trở tiêu hóa

Chế phẩm cellulase thường dùng để:

Tăng chất lượng thực phẩm và thức ăn gia súc.

Tăng hiệu suất trích ly các chất từ nguyên liệu thực vật

ứng dụng trước tiên của cellulase đối với chế biến thực phẩm là dùng nó để tăng độ hấp thu, nâng cao phẩm chất về vị và làm mềm nhiều loại thực phẩm thực vật Đặc biệt là đổi với thức ăn cho trẻ con và nói chung chất lượng thực phẩm được tăng lên

Một số nước đã dùng cellulase để xử lý các loại rau quả như bắp cải, hành, cà rốt, khoai tây, táo và lương thực như gạo Người ta còn xử lý cả chè, các loại tảo biển

Trong sàn xuất bia, dưới tác dụng của cellulase hay phức hệ citase trong đó có cellulase, thành tế bào của hạt đại mạch bị phá hủy tạo điều kiện tốt cho tác động của protease và đường hóa

Trong san xuất agar-agar, tác dụng của chế phẩm cellulase sẽ làm tảng chất lượng agar- agar hơn so với phương pháp dùng acid để phá vỡ thành tế bào Đặt biệt là việc sử dụng chế phẩm cellulase để tận thu các phế liệu thực vật đem thủy phân, dùng làm thức

ăn gia súc và công nghệ lên men Những ứng dụng của cellulase trong công nghiệp thực phẩm đã có kết quả rất tốt Tuy nhiên hạn chế lớn nhất là rất khó thu được chế phẩm có cellulase hoạt độ cao

Một số nước đã dùng cellulase để xử lý các loại rau quả như bắp cải, hành, cà rốt, khoai tây, táo và lương thực như gạo Người ta còn xử lý cả chè, các loại tảo biển…

4.4 Protease.

INS: 1011(i)

EC 3.4

Protease là enzyme thủy phân các liên kết peptit trong phân tử protein giải phóng các acid amin, peptone hoặc ditripeptone

Protease được phân loại dựa trên các đặc điểm riêng của chúng cũng như cấu tạo trung tâm hoạt động enzyme, hiện tại được chia làm 6 nhóm chính :