Đang tải... (xem toàn văn)
Quy trình sản xuất enzyme pectinase và ứng dụng trong công nghệ thực phẩm Ứng dụng công nghệ sinh học trong công nghệ thực phẩm Enzyme pectinase Các nguồn thu nhận enzyme trong công nghệ thực phẩm Công nghệ sản xuất enzyme từ vi sinh vật ứng dụng enzyme pectinase trong sản xuất nước quả và công nghệ thực phẩm
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC……………………………………………… KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Đề tài GVHD: …………………………… Nhóm … Tp Hồ Chí Minh, ngày … , tháng … , năm … Ứng dụng CNSH trong CNTP GVHD: …………………………… DANH SÁCH NHÓM STT HỌ VÀ TÊN MSSV LỚP 1 2 Nhóm 10 Trang 2 Ứng dụng CNSH trong CNTP GVHD: …………………………… MỤC LỤC Lời mở đầu 5 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ENZYME – ENZYME PECTINASE 6 1.Giới thiệu chung về enzyme pectinase 6 1.1 Cơ chất pectin 6 1.2 Phân loại pectin 7 2 Enzyme pectinase 8 2.1 Cấu tạo enzyme pectinase 8 2.2 Phân loại enzyme pectinase 8 2.2.1 Enzyme hydrolase 8 2.2.2 Transeliminase (TE) 9 3 Các nguồn thu nhận enzyme pectinase 9 3.1 Sơ lược chung 9 3.2 Thu nhận enzyme pectinase 10 3.2.1 Thu nhận theo chế phẩm enzyme pectinase theo phương pháp bề mặt10 3.2.2 Thu nhận chế phẩm enzyme pectinase theo phương pháp bề sâu 11 Chương 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ENZYME TỪ VI SINH VẬT 13 2 Nguyên liệu sản xuất 13 2 1 Nguyên liệu từ thực vật 13 2.1 Nguyên liệu từ vi sinh vật 14 2.2 Ảnh hưởng của cơ chất cảm ứng và nguồn cacbon 15 2.3 Ảnh hưởng của nguồn nitơ 16 2.4 Ảnh hưởng của các yếu tố khác 17 3 Sơ đồ quy trình sản xuất enzyme pectinase và thuyết minh 19 3.1 Quy trình tách chiết và làm sạch 22 3.1.1 Giới thiệu chung 22 3.1.2 Kết tủa enzyme pectinase 23 Nhóm 10 Trang 3 Ứng dụng CNSH trong CNTP GVHD: …………………………… 3.1.3 Ứng dụng phương pháp thẩm tích trong tinh sạch pectinase 24 3.1.4 Kết tủa ái lực 24 3.1.5 Phương pháp sắc ký 25 3.1.5.1 Giới thiệu chung 25 3.1.5.2 Sắc ký lọc gel 26 3.1.5.3 Sắc ký trao đổi ion 27 3.2 Xác định hoạt độ của enzyme pectinase 30 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA ENZYME PECTINASE TRONG CÔNG NGHÊ THỰC PHẨM – NƯỚC QUẢ 32 3.1 Tình hình ứng dụng enzyme trong công nghiệp trên thế giới 32 3.2 Ứng dụng của enzyme Pectinase 34 3.2.1 Giới thiệu về ứng dụng ezyme Pectinase 34 3.3 Ứng dụng enzyme pectinase sản xuất nước quả 35 3.3.1 Các chế phẩm enzyme 35 3.3.2 Ứng dụng chế phẩm pectinase trong sản xuất nước quả 36 3.4 Các nhãn hàng nước quả đang có trên thị trường 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 Nhóm 10 Trang 4 Ứng dụng CNSH trong CNTP GVHD: …………………………… Lời mở đầu Từ trước thế kỉ 17, loài người chưa biết gì về enzyme, người ta đã biết sử dụng rộng rãi các quy trình enzyme trong thực tế như làm bánh mì, rượu, bia, muối dưa…Việc sử dụng enzyme trong giai đoạn này mang tính chất kinh nghiệm thuần túy và sử dụng enzyme thông qua hoạt động sống Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Công nghệ sinh học, các chế phẩm enzyme được sản xuất ngày càng nhiều được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực như: chế biến thực phẩm, nông nghiệp, chăn nuôi, y tế…Hàng năm lượng enzyme sản xuất trên thế giới được sản xuất ra rất nhiều, phục vụ hoạt động sống của con người và nghiên cứu Trước đây, nguồn enzyme chủ yếu thu nhận từ thực vật và động vật Ngày nay, người ta nghiên cứu tìm ra nguồn enzyme từ vi sinh vật phong phú, đa dạng và rẻ tiền Với đề tài “Tìm hiểu quy trình sản xuấ enzyme pectinase và ứng dụng trong Công nghệ thực phẩm (nước quả)”, tìm hiểu về enzyme pectinase và enzyme này thường được sử dụng trong Công nghệ thực phẩm trong sản xuất nước quả, sản xuất rượu vang… Trong thời gian tìm hiểu và làm đề tài, nhóm 10 xin cảm ơn sự giúp đỡ của Cô và nhóm cũng không tránh khỏi những sai sót, nhóm 10 kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Cô, để bài tiểu luận được hoàn thiện hơn Nhóm 10 Nhóm 10 Trang 5 Ứng dụng CNSH trong CNTP GVHD: …………………………… Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ENZYME – ENZYME PECTINASE Trong cơ thể sống, hầu hết các phản ứng xảy ra đều nhờ tác dụng của một chất xúc tác đặc biệt, đó là enzyme Các enzyme có bản chất hóa học là những protein có khả năng điều hòa, xúc tác cho các phản ứng sinh hóa nên còn gọi là các xúc tác sinh học Vào đầu thế kỉ thứ 19 từ những ghi nhận đầu tiên về enzyme trong quá trình tiêu hóa ở tuyến nước bọt, dạ dày và ruột – cho đến nay người ta đã biết và phân loại khoảng 3500 enzyme Các chế phẩm enzyme thu được trong sản xuất đã được ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau: trong chẩn đoán và điều trị y học, trong công nghệp hóa học, trong chế biến thực phẩm và sản xuất nông nghiệp Các enzyme có bản chất là protein nên thường được cấu tạo nên từ các L - α – amino acid vã cũng có các tính chất tương tự như protein Enzyme có khối lượng phân tử từ 12000 đến hàng triệu dalton 1.Giới thiệu chung về enzyme pectinase Enzyme pectinase là enzyme xúc tác thủy phân liên kết ester hoặc liên kết glucoside có trong mạch polymer của pectin 1.1 Cơ chất pectin Hình 1 Cơ chất pectin Nhóm 10 Trang 6 Ứng dụng CNSH trong CNTP GVHD: …………………………… Pectin là hợp chất cao phân tử mạch thẳng có cấu tạo từ sự kết hợp của acid galacturonic qua các liên kết α – 1,4 – glucoside Tùy thuộc vào nguồn pectin mà pectin có khối lượng phân tử từ 80000 – 200000 Pectin không hòa tan trong rượu và các dung môi hữu cơ khác, pectin hòa tan trong nước, amoniac, dung dịch kiềm, carbonate natri và trong glycerine nóng Độ hòa tan của pectin trong nước tăng lên khi mức độ ester hóa trong phân tử tăng và khi khối lượng phân tử pectin giảm Pectin là tên chung được gọi cho những hỗn hợp chứa các hành phần rất khác nhau, trong đó pectinic acid là thành phần chủ yếu Các pectin tự nhiên định vị trong thành tế bào có thể liên kết với các cấu trúc polysacaride và protein để tạo thành các proto pectin không hòa tan Có thể phân hủy để làm cho pectin tan trong nước bằng cách đun nóng pectin trong môi trường acid, vì thế các pectin tan thu nhận được là kết quả của sự phân hủy phân tử pectin không tan và chúng không đồng dạng với nhau 1.2 Phân loại pectin Trong thực vật, pectin tồn tại dưới ba dạng: pectin hòa tan, pectinic acid và protopectin Pectin hòa tan là ester methylic của acid polygalacturonic pectin, trong tự nhiên có khoảng 2/3 số nhóm carboxyl của polygalacturonic acid được ester hóa bằng methanol Pectin được ester hóa cao sẽ tạo gel đặc trong dung dịch acid và trong dung dịch đường có nồng độ 0,06% Enzyme pectinase tác động lên pectin có khối lượng phân tử khác nhau và cấu trúc hóa học không đồng dạng Cấu trúc hóa học cơ bản của pectin là α – D- galcturonan hay α - D – galacturonoglycan, mạch thẳng có cấu tạo từ các đơn vị D- galactonosyluronic acid (liên kết theo kiểu α -1,4) Mặt khác, mức độ oxy hóa trong các phân tử polumer này cũng khác nhau, trong đó một số nhất định các nhóm carboxyl bị ester hóa bới các nhóm methoxyl TRong một số trường hợp, chẳng hạn trong pectin củ cải đường, có sự ester hóa giữa các nhóm carboxyl và các nhóm acetyl Pectinic acid là polygalacturonic acid có một phần nhỏ các nhóm carboxyl được ester hóa bằng methanol Pectinase là muối của pectinic acid Pectic acid là polygalacturonic đã hoàn toàn giải phóng khỏi nhóm methoxy, tức là trong đó có chứa một nhóm carboxyl tự do trên một đơn vị polygalacturonic acid Pectate là muôi của pectic acid Protopectin tạo độ cứng cho quả màu xanh, không tan trong nước và có cấu tạo hóa học phức tạp Trong thành phần pectin có các phân tử pectin, các phân tử cellulose và các ion Ca2+, Mg2+, các gốc phosphoric acid, acetic acid và đường Protopectin khi bị thủy phân bằng acid thì giải phóng pectin hòa tan Nhóm 10 Trang 7 Ứng dụng CNSH trong CNTP GVHD: …………………………… 2 Enzyme pectinase 2.1 Cấu tạo enzyme pectinase Enzyme pectinase là một nhóm enzyme thủy phân pectin, sản phẩm của quá trình này là acid galacturonic, galactose, arabinose, methanol…Đây là một trong nhóm enzyme được ứng dụng rỗng rãi trong công nghiệp chỉ đứng sau amylase và protease Enzyme này ban đầu được phát hiện trong các dịch chiết trái cây như cà rốt, cà chua hay đại mạch 2.2 Phân loại enzyme pectinase Hiện nay hệ thống enzyme pectinase được chia thành 2 nhóm chính: hydrolase, transeliminase với đặc điểm chung nhất là làm giảm độ nhớt của dung dịch pectin và làm giảm phân tử lượng của các sản phẩm tạo thành 2.2.1 Enzyme hydrolase Thuộc nhóm này có 2 enzyme chủ yếu: pectinesterase và polygalacturonase Pectinesterase - gọi tắt là PE: enzyme xúc tác thủy phân liên kết ester trong phân tử pectin hóa acid pectinic để giải phóng sản phẩm là methanol và acid polygalacturonic PE chỉ phân cắt các nhóm metoxyl đứng cạnh nhóm –COOH tự do Pectinesterase thu được từ các nguồn khác nhau có giá trị pH tối ưu khác nhau Nếu thu nhận từ nguồn vi sinh vật thì pH tối ưu từ 4,5 – 5,5 còn nếu thu nhận từ thực vật thì có pH tối ưu từ 5,0 – 8,5 Pectinesterase từ nấm mốc có nhiệt độ tối ưu là 300 - 450 và bị vô hoạt ở 550 – 620 Pectinesterase thường được vô hoạt bởi các ion Ca2+, Mg2+ Polygalacturonase - gọi tắt là PG: xúc tác sự phân cắt các muối liên kết α – 1,4- glycoside Các exo - PG phân cắt từ các đầu không khử, và endo – PG tấn công ngẫu nhiên vào giữa mạch cơ chất Enzyme này ít gặp trong thực vật, chủ yếu gặp trong vi khuẩn và nấm mốc Đây là một phức hệ enzyme và thường có tính đặc hiệu cao đối với cơ chất Dựa vào đó người ta chia ra 4 kiểu sau: Polymetyl – galcaturonase (PMG – poly – α -1,4- galacturozit – metyl este glucanhydrolase) PMG được phân thành 2 nhóm nhỏ phụ thuộc vào vị trí phân cắt liên kết α – 1,4 ở trong hay ở cuối và đầu mạch + Endo glucozidase polymetyl galcatunase kiểu I (endo – PMG – 1) Đây là enzyme có tính chất dịch hóa, pectin có mức độ metyl hóa cao (nhiều gốc metoxy – OCH3) thì bị Nhóm 10 Trang 8 Ứng dụng CNSH trong CNTP GVHD: …………………………… thủy phân càng nhanh và triệt để Trong môi trường khi có mặt pectinesterase (PE) thì enzyme này càng bị giảm hoạt lực Endo – PMG – 1 rất phổ biến trong các nấm mốc: Asp Niger; Asp.Awamori; Botrytis cinezea; Neurispora crassa + Exo – glucozidase polymetyl galacturonase kiểu III (exo – PMG – III) Đây là enzyme có tính chất đường hóa, có khả năng cắt từng gốc monomer acid galacturonoc ra khỏi mạch bắt đầu từ đầu không khử có nhóm metoxy (-OCH3) Enzyme tác dụng lên acid pectinic hay acid pectid - gọi là polygalacturonase (PG) cũng được phân thành hai nhóm nhỏ: + Endo glucozidase poly galacturonase kiểu II (endo – PG –II) Đây là enzyme có tính chất dịch hóa, chỉ thủy phân cơ chất khi có mặt nhóm -COOH tự do Hoạt độ của endo – PG – II tăng lên nhiều khi cơ chất được xử lý trước bằng pectinesterase (để tạo ra nhiều gốc –COOH tự do) Nấm mốc và vi khuẩn tổng hợp được enzyme này + Enxo – glucozidase polygalacturonase kiểu IV (exo – PG –IV) Thủy phân các liên kết gắn với nhóm -COOH tự do ở đầu hay nối mạch 2.2.2 Transeliminase (TE) Đây là nhóm enzyme được tìm ra cách đây chưa lâu lắm (khoảng năm 1960-1961) bao gồm protopectinase xúc tác sự phân cắt araban, galactan khỏi protopectin để tạo thành pectin hòa tan và enzyme transeliminase phân cắt phi thủy phân (không có sự tham gia của phân tử nước) pectin để tạo ra các gốc galacturonoc có nổi kép giữa C4 và C5 Phản ứng xảy ra dễ dàng ở môi trường trung tính hay kiềm yếu 3 Các nguồn thu nhận enzyme pectinase 3.1 Sơ lược chung Có hai loại enzyme: nội bào và ngoại bào, mỗi enzyme đòi hỏi phải có phương pháp tách và thu nhận tiêng: + Enzyme ngoại bào (gồm pectinase) do vi sinh vật tiết ra trong môi trường nuôi cấy ngoài tế bào, thường hòa tan trong nước do đó dễ trích ly và tinh sạch + Enzyme nội bào: là enzyme được sản xuất ra bên trong tế bào vi sinh vật và không được tiết ra môi trường bên ngoài Những tế bào vi sinh vật sau khi được nuôi cấy sẽ được tách ra và phá vỡ tế bào Mục đích của việc này là giải phóng toàn bộ các chất có trong tế bào gồm enzyme nội bào Hốn hợp thu nhận được sẽ đem ly tâm tách tạp chất và Nhóm 10 Trang 9 Ứng dụng CNSH trong CNTP GVHD: …………………………… những chất có phân tử lượng lớn, còn enzyme sẽ được kết tủa bằng cồn hay muối Enzyme sau đó sẽ được đem tinh sạch Enzyme nội bào Enzyme ngoại bào Khó tách Dễ tách Phải phá vỡ thành tế bào Không cần phá vỡ thành tế bào Thường lẫn chung với các chất khác của tế Không lẫn chung với thành phần nội bào, bào sau khi bị phá vỡ ( acid nucleic, chất nếu có chỉ là một vài enzyme ngoại bào nguyên sinh, lipid ) khác Chỉ bền vững ở trong môi trường nội bào Bền vững hơn Phương pháp tinh sạch khó thực hiện, quy Phương pháp tinh sạch dễ và rẻ hơn trình công nghệ phức tạp, giá thành đắt Bảng 1 So sánh enzyme nội bào và enzyme ngoại bào 3.2 Thu nhận enzyme pectinase Hiện nay người ta thu nhận pectinase chủ yếu từ VSV Có hai phương pháp sản xuất pectinase: + Thu nhận chế phẩm enzyme pectinase theo phương pháp bề mặt + Thu nhận chế phẩm enzyme pectinase theo phương pháp bề sâu 3.2.1 Thu nhận theo chế phẩm enzyme pectinase theo phương pháp bề mặt Môi trường sử dụng để nuôi cấy VSV để thu nhận pectinase để thu nhận pectinase thường là cám gạo hay cám mì, bã củ hay thóc mầm Nguồn dinh dưỡng bổ sung thường ammonium, photphoric Độ ẩm thường phải nằm trong khoảng 60% Nấm mốc A.awamori thường được nuôi cấy ở 300C trong thời gian 4 giờ, sau đó giảm xuống 240C và nuôi cấy trong thời gian 48 – 52 giờ Sản phẩm lên men được sấy khô thành chế phẩm enzyme thô và đem tinh chế Để thu nhận được chế phẩm pectinase tinh khiết thì chế phẩm enzyme thô phải được trích ly bằng phương pháp kết tủa nhờ enzyme pectinase có thể là rượu enthanol (72,5 – 75%) hoặc isopropanol (55-57%) Muối ammonium sunfat sử dụng có độ bão hòa 0,79, khi kết tửa bằng rượu ethanol chế phẩm enzyme thu được có độ tinh khiết 99%, còn nếu bằng muối thì độ tinh khiết 75% Nhiệt độ kết tủa tối ưu với rượu là 2-50C, thời gian tiếp xúc Nhóm 10 Trang 10