TỔNG QUAN
Sơ lược về enzyme [1]
Enzyme là chất xúc tác sinh học được cấu tạo từ protein, đóng vai trò quan trọng trong việc xúc tác các phản ứng hóa sinh trong cơ thể sinh vật Chúng hiện diện trong mọi tế bào sống của động vật, thực vật và vi sinh vật Ví dụ, enzyme pectinase có nhiều trong lá, củ khoai tây, chanh, cà chua dứa và cỏ ba lá; enzyme pepsin xuất hiện trong dạ dày; enzyme papain có trong trái đu đủ; và enzyme bromelain có trong trái thơm.
Enzyme đầu tiên nhận được ở dạng tinh thể là urease của đậu tương (1926) tiếp theo là pepsin và trysin (Northrop và Kunitz, 1930, 1931)
Các enzyme có khối lượng phân tử rất đa dạng, dao động từ 1200u đến hơn 1000000u Phần lớn enzyme có khối lượng phân tử nằm trong khoảng từ 20000u đến 90000u, hoặc có thể lên tới vài trăm nghìn.
Cũng như protein, enzyme có thể là protein đơn giản hoặc protein phức tạp Trên cơ sở đó người ta chia enzyme thành hai nhóm:
Enzyme một thành phần là protein đơn giản, trong khi enzyme hai thành phần là protein phức tạp Đáng chú ý, phần lớn các enzyme thuộc loại hai thành phần.
Dạng hoạt động của enzyme hai thành phần bao gồm phần protein và phần không có bản chất protein gọi là nhóm prostetic (nhóm ngoại, nhóm ghép, coenzyme )
Các nhóm ghép, các coenzyme
Enzyme hai cấu tử bao gồm hai thành phần chính: phần protein và phần không phải protein Phần protein được gọi là apoprotein hay apoenzyme, trong khi phần không phải protein được gọi là nhóm ngoại hoặc coenzyme Nhóm ngoại thường là các chất hữu cơ đặc hiệu, có thể gắn chặt hoặc liên kết lỏng lẻo với phần protein và có khả năng tách rời khỏi nó.
Nhóm ghép trong enzyme bao gồm các chất hữu cơ có trọng lượng phân tử nhỏ gắn liền với protein, được gọi là coenzyme Khi kết hợp coenzyme với apoenzyme, chúng tạo thành phức hợp holoenzyme, hay còn gọi là enzyme hai cấu tử.
Cả apoenzyme và coenzyme đều không có khả năng xúc tác khi đứng riêng lẽ; chỉ khi kết hợp, chúng mới thể hiện hoạt tính xúc tác Khi coenzyme kết hợp với apoenzyme, chúng tạo thành holoenzyme, giúp xúc tác cho quá trình chuyển hóa các chất khác nhau nhưng tương tự về kiểu phản ứng Coenzyme tham gia trực tiếp vào phản ứng, quyết định kiểu phản ứng mà enzyme xúc tác và tăng cường độ bền của apoenzyme trước các yếu tố gây biến tính Ngược lại, apoenzyme nâng cao hoạt tính xúc tác của coenzyme và xác định tính đặc hiệu của enzyme Thông thường, các coenzyme là các dẫn xuất của vitamin hòa tan trong nước.
Nhiều enzyme chứa kim loại, với các ion kim loại đóng vai trò thiết yếu cho hoạt động của chúng Các ion này tương tự như coenzyme, và enzyme cần chúng để thực hiện chức năng được gọi là metalloenzyme Chức năng của ion kim loại chủ yếu là tạo phức hợp chelate giữa enzyme và cơ chất, trong đó các cation hình thành phức "ion kim loại - cơ chất" trước khi phản ứng với enzyme Các ion như Ca, Cu, Mg, Mn là những ví dụ tiêu biểu.
Mo, Zn,…đều là những ion tham gia trong sự hoạt động của các enzyme
Trung tâm hoạt động của enzyme
Tâm hoạt động là phần quan trọng của enzyme, đóng vai trò kết nối enzyme với cơ chất Mặc dù chỉ chiếm một tỉ lệ nhỏ trong thể tích tổng thể của enzyme, nhưng nó lại quyết định chức năng và hiệu quả của quá trình xúc tác.
Cấu tạo đặc biệt của trung tâm hoạt động quyết định tính đặc hiệu và hoạt tính xúc tác của enzyme
Trong enzyme 1 cấu tử, các acid amin phân bố ở các vị trí khác nhau trên mạch polypeptid nhưng lại gần nhau trong không gian, tạo thành trung tâm hoạt động Sự kết hợp của các nhóm chức của các acid amin thường gặp góp phần quan trọng vào chức năng của enzyme.
3 là -SH của cysteine, -OH của serine, vòng imidazol của histidine, w-COOH của aspartie và acid glutamic, -COOH của các acid amin cuối mạch
Enzyme hai cấu tử bao gồm mạch polypeptid và các nhóm chức kết hợp để hình thành trung tâm hoạt động Ngoài ra, coenzyme và các nhóm ngoại khác cũng góp mặt trong cấu trúc này Đặc biệt, trong enzyme chứa kim loại, các ion kim loại đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra trung tâm hoạt động.
Trong quá trình hoạt động của enzyme, có hai nhóm chức quan trọng cần phân biệt: "tâm xúc tác", nhóm chức này tham gia trực tiếp vào quá trình xúc tác, và "nền tiếp xúc", nhóm chức này hỗ trợ enzyme trong việc kết hợp đặc hiệu với cơ chất.
Một enzyme có thể có 2 hoặc nhiều trung tâm hoạt động, tác dụng của các trung tâm hoạt động không phụ thuộc vào nhau
Năm 1964, Hiệp hội Hóa sinh Quốc tế đã đề xuất nguyên tắc phân loại enzyme dựa trên kiểu phản ứng do enzyme xúc tác Đến năm 1973, hệ thống phân loại này được hoàn thiện bởi Ủy ban danh pháp Hóa sinh thuộc Hiệp hội hóa học cơ bản và ứng dụng Quốc tế (IUPAC) Từ đó, tất cả các enzyme được chia thành 6 lớp nhóm chủ yếu.
Nhóm Oxydoreductase (các enzyme oxy hóa- khử)
Các enzyme xúc tác phản ứng oxy hóa – khử, đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển H+ và điện tử, từ đó thúc đẩy quá trình oxy hóa sinh học Chúng có ảnh hưởng lớn đến hô hấp và trao đổi năng lượng trong cơ thể.
Trong đó: AH2 là cơ chất; B là chất nhận H, có thể là O2.
Tùy theo khả năng của Oxydoreductase chuyển H2 vừa lấy được từ cơ chất
AH2 đến O2 của không khí, người ta chia thành hai nhóm:
Nhóm Transferase (các enzyme vận chuyển)
Các enzyme xúc tác cho phản ứng chuyển vị
AX + B A + BX Trong đó: X là nhóm được vận chuyển
Tùy vào X mà ta có các tên enzyme vận chuyển khác nhau
- Glycozyltransferase: Nếu X là gốc glycozyl
- Aminotransferase: Nếu X là nhóm amin (-NH3)
- Methyltransferase: Nếu X là nhóm (CH3)
- Aldotransferase: Nếu X là nhóm aldehyd
- Cetotransferase: Nếu X là nhóm cetone
- Phosphotransferase: Nếu X là gốc H3PO4
Nhóm Hydrolase (các enzyme thủy phân)
Là nhóm enzyme xúc tác các phản ứng thủy phân các hợp chất hữu cơ với sự tham gia của nước
Dựa vào liên kết giữa X và Y mà ta có tên các enzyme thủy phân khác nhau:
- Peptidase: thủy phân liên kết peptide
- Glycosidase: thủy phân liên kết glycoside
- Esterase: thủy phân liên kết ester
- Amidase: thủy phân liên kết amide
Nhóm Lyase (các enzyme phân cắt)
Là enzyme phân cắt chất hữu cơ không có sự tham gia của nước
Có trường hợp kết quả của phản ứng là tạo liên kết đôi
Thuộc vào lớp này có các enzyme được gọi là hydratase, aldolase, decarboxylase cũng như một số desaminase
Nhóm Isomerase (các enzyme đồng phân hóa)
Là nhóm enzyme xúc tác cho chuyển hóa giữa 2 dạng đồng phân D và L, cis và trans, aldose và ketose
Các enzyme thường gặp là epimerase, mutase, isomerase
Nhóm Synthetase (các enzyme tổng hợp)
Nhóm enzyme này đóng vai trò quan trọng trong việc xúc tác tổng hợp các chất hữu cơ, nhưng chỉ hoạt động khi có sự hiện diện của ATP và các hợp chất cao năng khác Điều này là cần thiết vì các phản ứng tổng hợp yêu cầu một lượng lớn năng lượng để diễn ra hiệu quả.
1.1.4.1 Cường lực xúc tác enzyme
Enzyme là chất xúc tác sinh học với khả năng xúc tác mạnh mẽ hơn nhiều so với các chất xúc tác thông thường.
1mol Fe 3+ xúc tác phân ly được 10 -6 mol H2O2/phút Một phân tử catalase có một nguyên tử Fe xúc tác phân ly 5.10 6 mol H2O2/phút
1g pepsin trong 2 giờ thủy phân 5kg protein trứng luộc ở nhiệt độ bình thường
1 phân tử β-amylase sau 1 giây có thể phân giải 4000 liên kết glucosid trong phân tử tinh bột
1.1.4.2 Tính đặc hiệu của enzyme
Sơ lược về enzyme Pectinase [3] [4] [6]
Enzyme pectinase là enzyme có khả năng xúc tác quá trình thủy phân pectin, tạo ra các sản phẩm như acid galacturonic, galactose và methanol Pectinase thường được chiết xuất từ các vi sinh vật, nấm mốc và xạ khuẩn, trong đó các chủng nấm Asp Ficuum và Asp Niger nổi bật với khả năng tổng hợp pectinase cao nhất Ngoài ra, enzyme này cũng tồn tại trong thực vật bậc cao, đặc biệt nhiều trong lá, củ khoai tây, chanh, cà chua, dứa và cỏ ba lá.
Theo cơ chế tác dụng enzyme pectinase gồm 3 loại:
Enzyme pectinesterase (PE) có mặt trong hầu hết các loại cây cho trái, tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau trong phần vỏ tế bào Hoạt độ tối ưu của enzyme này thường nằm trong khoảng pH hơi kiềm Đặc biệt, các cation kim loại như Ca2+ ở nồng độ thấp có khả năng làm tăng hoạt độ của enzyme pectinesterase từ nguồn thực vật.
Cà chua có chứa hai loại pectinesterase, PE 1 và PE 2, cả hai đều gia tăng trong giai đoạn đầu của quá trình chín Khi cà chua chuyển sang giai đoạn chín, nồng độ enzyme PE sẽ tăng cao.
PE 2 là enzyme có khối lượng phân tử 23 kD và pH tối ưu là 7,6, đóng vai trò quan trọng trong quá trình chín của trái cây Enzyme này bị bất hoạt 50% sau 5 phút đun ở nhiệt độ 67°C Sự hiện diện của các ion Ca2+ và Na+ có tác dụng tăng cường hoạt độ của enzyme, với nồng độ tối ưu lần lượt là 0,005M và 0,05M.
PE của đậu nành là một loại protein có khối lượng phân tử 33kD, tối ưu hoạt động ở pH gần 8 Ngoài ra, polygalacturonic acid, sản phẩm từ quá trình methyl hóa, đóng vai trò là một chất ức chế cạnh tranh.
Trong thịt quả chuối, có hai isoenzyme PE với khối lượng phân tử 30kD và điểm đẳng điện lần lượt là 8,8 và 9,3 Những enzyme này hoạt động tối ưu ở pH 7,5 và hoạt động của chúng tăng lên khi thêm NaCl 0,2M, đồng thời điều chỉnh pH về 6,0 Tuy nhiên, các enzyme này bị ức chế bởi nhiều polyol có khối lượng phân tử thấp như glycerol, sucrose, glucose, maltose và galactose.
Trong quả cam, enzyme pectinase (PE) bao gồm hai loại isoenzyme, đó là PE 1 và PE 2, với khối lượng phân tử 36kD Hai isoenzyme này có điểm đẳng điện khác nhau, lần lượt là 10,05 và 11,0 pH tối ưu cho hoạt động của PE 1 là 7,6, trong khi PE 2 hoạt động hiệu quả nhất ở pH 8,0.
Nhiều loại thịt quả chứa hai isoenzyme, trong đó một enzyme có tính bền nhiệt cao hơn, trong khi enzyme còn lại ít nhạy cảm hơn với tác động của enzyme protease Độ ổn định của các enzyme này có thể liên quan đến mức độ glycosyl hóa của phân tử enzyme Enzyme bền nhiệt có khối lượng 51kD, trong khi enzyme còn lại có khối lượng 36kD.
Cả táo và kiwi đều chứa hai loại isoenzyme, trong đó isoenzyme của kiwi có khối lượng phân tử 57kD và điểm đẳng điện 7,3 Mặc dù có cùng khối lượng và điểm đẳng điện, nhưng chúng khác nhau về mức độ bền nhiệt.
Enzyme vi sinh vật không phải tất cả đều là protein kiềm PE của Trichoderma reesei có điểm đẳng điện từ 8,3 đến 9,5 với pH tối ưu là 7,6 Ngược lại, PE của Aspergillus lại có điểm đẳng điện và pH tối ưu trong khoảng acid Hoạt động tối đa của enzyme PE do A Niger sản sinh xảy ra ở pH thấp.
At 40°C, both alkaline and acidic pectin esterase (PE) can methylate pectin substrates in a similar manner Alkaline PE produces low-esterified pectin, which forms weak gels with calcium ions, while acidic PE generates high-esterified pectin, resulting in strong gels with calcium ions.
Cấu trúc bậc một của enzyme pectinesterase (PE) trong cà chua bao gồm 305 amino acid với khối lượng phân tử 33,239 Enzyme này có hai cầu nối disulfide (Cys98 - Cys125 và Cys166 - Cys200), trong đó Cys166 xuất hiện trong tất cả các enzyme pectinesterase Trình tự amino acid được suy luận từ nucleotide cDNA cho thấy sự không nhất quán ở 18 trong 27 vị trí khác nhau, điều này có thể làm thay đổi điện tích của protein Chỉ khoảng 94% trình tự amino acid trong một phần chuỗi có tính đồng dạng với toàn bộ trình tự cDNA, cho thấy khả năng tồn tại của các isoenzyme, mặc dù hiện chỉ biết đến hai isoenzyme trong cà chua Nhiều gen mã hóa cho enzyme PE đã được tách dòng và nghiên cứu.
13 điểm Gen tách dòng từ Pseudomonas mã hóa cho PE có chứa 396 amino acid với khối lượng phân tử 41004
PE loại bỏ các nhóm methoxyl trong phân tử pectin thông qua tương tác ái nhân của enzyme với ester, tạo ra hợp chất trung gian acyl-enzyme và giải phóng methanol Sau đó, phản ứng deayl hóa diễn ra, đây là quá trình thủy phân của hợp chất acyl-enzyme, giúp giải phóng enzyme và cacboxylic acid.
Các PE có nguồn gốc thực vật tạo thành các khối pectin với các nhóm carboxylate dọc theo mạch pectin Enzyme từ Trichoderma reesei đóng vai trò quan trọng trong phản ứng này, trong khi enzyme từ các loài Aspergillus hoạt động hiệu quả nhất trong môi trường acid Các ion kim loại có thể kích hoạt enzyme pectinesterase và ảnh hưởng đến tương tác với cơ chất Polygalacturonic acid hoạt động như một chất ức chế cạnh tranh trong quá trình thủy phân do tác động của PE Các nhóm carboxylate trong pectin có thể tương tác tương tự, và sự liên kết của ion kim loại vào các nhóm này có thể làm trung hòa ảnh hưởng ức chế của pectin lên enzyme Tuy nhiên, sự hiện diện dư thừa của các ion kim loại thực tế dẫn đến bất hoạt của PE, vì chúng bao quanh các nhóm carboxylate gần các liên kết ester cần thiết cho phản ứng thủy phân.
Polygalacturonase, also known as pectin depolymerase, PG, pectolase, pectin hydrolase, and poly-α-1,4-galacturonide glycanohydrolase, is an enzyme that hydrolyzes the α-1,4 glycosidic bonds between galacturonic acid units This enzyme is part of a complex system that typically exhibits high substrate specificity.
Hình 1.2 Polygalacturonase từ Fusarium moniliforme
ỨNG DỤNG CỦA ENZYME PECTINASE TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Ứng dụng của enzyme pectinase trong sản xuất rượu từ nho [5]
Nước uống từ trái nho thường có dạng trong, được sản xuất phổ biến ở châu Âu và châu Mỹ, nhưng hiện nay cũng có loại nước nho dạng đục, chủ yếu từ nho đỏ, với Ý là quốc gia sản xuất nhiều nhất Nho chứa nhiều dịch và đường, nhưng nước nho thường có nhiều thịt quả, dẫn đến tình trạng đục Để cải thiện hiệu suất thu nhận dịch nho, người ta sử dụng enzyme pectinase với liều lượng 0,2% so với khối lượng nho, xử lý trong 3 giờ ở nhiệt độ 45°C Phương pháp này giúp tăng hiệu suất thu nhận dịch nho từ 65,9% lên 77,3% cho nước nho trắng và từ 66% lên 82,2% cho nho đỏ.
Xử lý nước nho ở nhiệt độ 40 - 45 o C trong 3 giờ có thể tăng hiệu suất lên 14 - 18% Nếu tiếp tục xử lý thêm 4 - 5 giờ ở 40 - 50 o C, nước nho sẽ trở nên hoàn toàn trong Quá trình làm trong dịch quả bắt đầu bằng việc đun nóng lên 90 o C, sau đó giảm nhiệt xuống 50 o C trước khi sử dụng enzyme để làm trong nước quả Trong khi đó, với các mẫu dịch không xử lý enzyme, thời gian làm trong nước nho sẽ kéo dài hơn 2 lần.
4 tháng Hiệu suất thu dịch không sử dụng enzyme chỉ đạt trung bình 65%
Bảng 2.1 Hiệu quả của việc xử lý nước nho bằng enzyme
2.1.2 Quá trình sản xuất dịch nho trắng có xử lý enzyme pectinase
Nho được rửa sạch, tách cuống và loại bỏ hạt bằng máy xé, sau đó được chứa vào các thùng kín trong khoảng 6 - 8 giờ hoặc trong các thùng lên men liên tục trong thời gian 3 ngày.
Trong quá trình xử lý nho, người ta lưu trữ trong 4 giờ và bổ sung 0,02% acid ascorbic trước khi ép để thu nhận dịch nho Sau đó, dịch nho được làm nóng ở 80 độ C và nhanh chóng làm nguội xuống 40 độ C, tiếp theo là thêm 0,01% enzyme pectinase vào nước nho.
Quá trình thủy phân được thực hiện để giảm độ nhớt của dịch quả xuống mức tương đương với nước nho trong suốt, mất khoảng 6 - 8 giờ Sau khi hoàn tất thủy phân, dịch quả được đun nóng lần thứ hai đến 80 độ C, sau đó làm nguội xuống 20 độ C và cuối cùng lọc qua máy lọc ép để thu được nước quả.
2.1.3 Quy trình sản xuất dịch nho đỏ có sử dụng enzyme pectinase
Nho sau khi được rửa sạch và tách cuống, sẽ được đun nóng đến 85 - 90 oC và ngay lập tức làm nguội xuống 45 - 50 oC Duy trì nhiệt độ này trong 4 - 6 giờ trong thùng kín hoặc 3 - 4 giờ trong thiết bị lên men liên tục Trong giai đoạn này, thường cho enzyme pectinase với liều lượng 0,03% Sau khi thủy phân, tiến hành lọc ép và thêm 0,03% enzyme pectinase vào dịch lọc để làm trong dịch quả, quá trình này kéo dài từ 6 - 8 giờ.
Rượu vang được chế biến từ nước nho và cũng có thể được sản xuất từ nước ép của nhiều loại trái cây khác như táo, dâu, dứa, cam, và chanh Quy trình sản xuất rượu vang bao gồm ba giai đoạn chính.
Xử lý và tàng trữ
Để thu hoạch dịch quả, người ta nghiền nát quả để thu được dịch quả và bã nghiền Sau khi tách dịch, bã nghiền sẽ được ép để lấy dịch Dịch chảy ra trước khi ép được gọi là dịch tự chảy, trong khi dịch tách ra sau khi ép được gọi là dịch ép Dịch quả thu được sẽ được làm trong và lên men Trong quá trình sản xuất rượu vang, enzyme pectinase được sử dụng để tăng hiệu suất dịch quả và làm trong dịch.
Ứng dụng của enzyme pectinase trong sản xuất nước quả và nước uống không có cồn [11]
Quá trình chế biến nước quả từ các loại quả khác nhau bắt đầu bằng việc chiết rút dịch quả từ mô cơ bản, mô bì và đôi khi cả mô cơ học Hiệu suất chiết rút dịch quả phụ thuộc vào khả năng thấm của tế bào, cấu trúc giải phẫu, tính chất cơ lý của nguyên liệu, độ nhớt của dịch quả, độ chắc của thịt quả, cùng với thành phần pectin trong dịch bào và tế bào của mô quả.
2.2.1 Sản xuất nước quả trong
Pectinase products must contain endo and exo-polygalacturonase, pectinesterase, and proteinase enzymes These specific enzymes are crucial for determining the effectiveness of the product The presence of endo and exo-polygalacturonase plays a significant role in enhancing the overall functionality of pectinase.
PG giúp giảm độ nhớt của dịch quả, trong khi enzyme PE cũng hỗ trợ hiệu quả của enzyme này Enzyme proteinase trong sản phẩm sẽ thủy phân vỏ protein của tế bào, giúp dễ dàng thoát dịch quả Sự hiện diện của các enzyme này đóng vai trò quan trọng trong quá trình chế biến.
Sản phẩm chứa 20 xenlulase và hemixenlulase là tốt nhưng không bắt buộc Khi xử lý các loại trái cây như táo và lê, cần tránh enzyme pectinaseliminase vì enzyme này phân hủy pectin, làm mủn mô quả, tăng độ nhớt dịch quả và giảm hiệu suất Ngược lại, với các loại quả mọng như dâu tây, enzyme phosphotriesterase là cần thiết để làm mủn tế bào, tăng tính thoát nước và giảm độ nhớt của dịch quả.
Ngoài ra, đối với các sản phẩm pectinase dùng trong sản xuất nước quả trong cũng không được phép có các enzyme oxydase (ascohatoxydase, poliphenoloxydase)
Quá trình làm trong dịch quả dưới tác dụng của pectinase có thể chia làm ba giai đoạn:
Giai đoạn “bất ổn định hoá” được tiêu biểu bằng sự giảm độ nhớt một cách sâu sắc và thường được gọi là trạng thái “phá vỡ”
Giai đoạn kết lắng bắt đầu từ trạng thái “phá vỡ” và kết thúc khi kết tủa hoàn toàn
Giai đoạn cuối cùng thường được xác định bằng sự vắng mặt các pectin kết tủa bởi Ca 2+
2.2.2 Sản xuất nước quả có thịt
Các enzyme phosphotriesterase, hemixenlulase và xenlulase đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả sản phẩm nước quả Enzyme phosphotriesterase giúp phân hủy protopectin trong mô quả, trong khi hemixenlulase và xenlulase hỗ trợ tạo độ đồng thể tốt hơn cho nước quả có thịt Đặc biệt, sự hiện diện của enzyme PG, đặc biệt là endo-PG, không được phép do ảnh hưởng đến độ đồng thể của nước quả, phụ thuộc vào độ nghiền mịn của mô quả và độ nhớt của dịch quả Mặc dù enzyme proteinase có thể có lợi trong sản phẩm này, nhưng không phải là điều bắt buộc Ngoài ra, khi sử dụng nguyên liệu có màu sáng, sản phẩm cần tránh chứa enzyme oxi hóa.
Để bảo quản carotenoid và antoxian trong nguyên liệu, cần tránh enzyme phá hủy chúng Khi sản xuất nước quả, nếu sử dụng enzyme pectinase, nguyên liệu quả phải được nghiền nhỏ Sau khi nghiền, bã sẽ được xử lý bằng enzyme trước khi ép hoặc ly tâm Việc nghiền nguyên liệu cần đạt mức tối đa để thuận lợi cho enzyme hoạt động mà không gây tắc nghẽn trong quá trình ép.
Sau khi enzyme hoạt động, dịch quả dễ dàng tách ra khỏi bã nghiền Do đó, quá trình ép hoặc ly tâm chỉ đơn thuần là tách dịch khỏi các tiểu phần của mô quả.
Việc sử dụng 0,03% pectinase trong xử lý bã táo nghiền đã chứng minh hiệu suất dịch quả tăng từ 20-25% Đối với quá trình thu nước nho, không sử dụng pectinase chỉ đạt hiệu suất tối đa 65%, nhưng khi áp dụng pectinase, hiệu suất dịch quả có thể nâng lên 77,3% cho nho trắng và 82,2% cho nho đỏ.
Sử dụng pectinase không chỉ giúp tăng cường hiệu suất chiết xuất dịch quả mà còn làm cho dịch quả trong hơn Phương pháp enzyme là giải pháp hiệu quả nhất, vì chúng có khả năng phá vỡ hoàn toàn các hệ keo trong nước quả.
Khi sử dụng pectinase, pectin được phân giải hoàn toàn thành các chất hòa tan, trong khi các phương pháp khác có thể gây kết tủa một phần pectin.
Với phương pháp enzyme, khi mang một lượng thừa sản phẩm sẽ loại trừ được trường hợp làm trong không hoàn toàn
Dịch nước quả được xử lý bằng sản phẩm pectinase thường có vị hoàn toàn hơn và ít có khuynh hướng bị đục hơn
Bảng 2.2 Hiệu quả xử lý nước quả bằng chế phẩm enzyme pectinase
Chất khô (%) Độ acid (%) Đường (%)
Chất chát (%) Điểm cảm quan
Ứng dụng của enzyme pectinase trong sản xuất mức trái cây [5]
Pectin đóng vai trò quan trọng trong việc tạo cấu trúc cho mứt đông và mứt trái cây, giúp sản phẩm duy trì hình dạng khi vận chuyển, đồng thời mang lại hương vị thơm ngon và giảm thiểu sự phân rã.
Quá trình sản xuất mứt đông và mứt trái cây cần đảm bảo sự đồng đều của các phân tử trong pha liên tục ngay từ khi kết thúc quá trình khuấy trộn Hàm lượng pectin thường được sử dụng trong mứt đông dao động từ 0,1% đến 0,4%.
Pectin là một thành phần quan trọng trong sản xuất mứt nhờ khả năng tạo gel nhanh chóng Để đạt được kết quả tốt nhất, quá trình tạo gel cần được thực hiện một cách cẩn thận, đặc biệt trong các khâu như đóng hộp và nắp Sự chú ý đến từng bước trong quá trình này sẽ đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Quá trình tạo gel của pectin cũng có thể được tạo ra trong một quy trình lạnh bằng 2 cách:
Trộn syrup đường pectin (pH = 2,9) có hàm lượng chất khô hòa tan từ
60 -65%, pH = 3,8 - 4,2 với dịch acid trái cây đế đạt pH = 3
Trộn dung dịch pectin (pH = 2,9) và lượng chất khô hòa tan là 25% với syrup đường để thu được hỗn hợp mới có hàm lượng chất khô 23%
Pectinase đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các mặt hàng từ quả như mứt nhừ và mứt đông Enzyme này giúp làm cho mứt quả trở nên trong suốt và cho phép thu được dịch quả có nồng độ cao, chẳng hạn như dịch táo cô đặc đạt 72 độ Brix Nếu không loại bỏ các pectin tự nhiên, sản phẩm sẽ dễ bị keo tụ mạnh mẽ, ngăn cản quá trình cô đặc tiếp theo.
24 ta khử pectin đi, sau đó mới lọc rồi cô đặc, nhưng đôi khi người ta cho pectinase tác dụng trong suốt thời gian cô đặc.
Ứng dụng của enzyme pectinase trong trích ly các dược liệu [7]
Các dược liệu từ thực vật bao gồm hoa, lá, quả, vỏ, thân cây, củ và rễ, trong đó pectin là một thành phần phổ biến Hàm lượng pectin trong các dược liệu này rất khác nhau, với mức thấp nhất là 3,8% và cao nhất lên đến 37,7%.
Sắc thuốc nhằm mục đích trích ly các hoạt chất từ dược liệu, nhưng pectin có thể làm khó khăn quá trình này, dẫn đến việc không trích ly hết hoặc dịch trích ly bị đục sau vài ngày Để tiết kiệm công sức và tránh phiền phức, cũng như tối ưu hóa quá trình trích ly và pha chế thuốc theo đơn, việc sử dụng chế phẩm pectinase là giải pháp hiệu quả Nhờ tác dụng của pectinase, pectin được phân giải, giúp giải phóng các hoạt chất dễ dàng hơn.
Các chế phẩm pectinase dùng trong trích ly các dược liệu phải thỏa mãn những điều kiện tối thiểu sau:
Chế phẩm phải có độ tinh khiết rất cao đề không mang theo những tạp chất có thể làm giảm phẩm chất của thuốc
Chế phẩm phải có hoạt độ cao để chỉ cần sử dụng với một lượng tối thiểu
Sơ đồ trích ly dược liệu có sử dụng chế phẩm pectinase có thể như sau:
Hình 2.3 Sơ lược quy trình trích ly dược liệu
Ứng dụng của enzyme pectinase trong lên men sản xuất cà phê [10] 25 2.6 Ứng dụng enzyme pectinase trong trích ly dầu gấc [9]
Cà phê sau khi xát tươi vẫn còn lớp nhớt bám quanh vỏ thóc, chứa pectin chiếm khoảng 5-6% trọng lượng nguyên liệu, gây khó khăn trong việc phơi sấy và bảo quản Lớp nhớt này cũng chứa lượng đường lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của nấm, vi khuẩn và vi sinh vật có hại, dẫn đến hiện tượng lên men Một số nghiên cứu cho rằng quá trình ngâm ủ có thể kích thích men hoạt động, làm tăng hương thơm và hương vị cho cà phê sau khi trải qua các biến đổi hóa học.
Hiện nay có 4 phương pháp tách lớp vỏ nhớt:
Phương pháp sinh hoá, hay còn gọi là phương pháp lên men, là lựa chọn tối ưu để tách vỏ nhớt nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng các enzyme tự nhiên có trong nguyên liệu hoặc từ vi sinh vật được cấy vào, giúp phân giải lớp nhớt thành các chất hòa tan trong nước.
Nghiên cứu từ nhiều quốc gia và thực tiễn tại Việt Nam cho thấy enzyme pectinase, pectosinase và pectase đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men phân hủy lớp nhớt.
Trong đó nhiều tác giả cho thấy lượng enzyme pectinase tổng hợp được sử dụng khá nhiều Các enzyme này tham gia phản ứng sau:
Pectin + H2O → pexit pectin + CH3OH
Pectinase của vi khuẩn hoạt động hiệu quả ở pH 5-6, trong khi nấm mốc hoạt động tốt hơn ở pH 4-5 Tuy nhiên, các enzyme pectinase thường mất hoạt tính khi tiếp xúc với nhiệt độ 95°C trong 20 phút.
2.6 Ứng dụng enzyme pectinase trong trích ly dầu gấc [9]
Trong các phương pháp truyền thống để trích ly dầu gấc, một lượng dầu vẫn còn sót lại trong nguyên liệu do phần lớn dầu nằm trong các không bào tự do Dầu phân tán trong không bào không thể thu hồi qua quá trình trích ly thông thường, dẫn đến việc mất mát trong chất thải Để tối ưu hóa hiệu quả thu hồi dầu từ tế bào, cần phải phá hủy thành tế bào bằng cách sử dụng các enzyme, đặc biệt là thông qua việc phân tích các loại polysaccharide riêng biệt trong cấu trúc thành tế bào.
Ưu điểm: dễ dàng cho việc ép, tăng sản lượng dung môi dầu khai thác và dễ dàng cho việc trích ly
Nhược điểm của quy trình này bao gồm chi phí hoạt động cao và yêu cầu vốn đầu tư lớn, đồng thời chất lượng sản phẩm cuối cùng thường nghèo dinh dưỡng do ảnh hưởng của việc xử lý ở nhiệt độ cao.
2.6.1 Cơ chế tác động của enzyme pectinase
Phá vỡ thành tế bào là quá trình quan trọng trong việc thu nhận dịch tế bào từ thực vật Tế bào thực vật được bao bọc bởi vỏ tế bào, có chức năng bảo vệ và định hình cho tế bào Vỏ tế bào chứa nhiều chất pectin, hoạt động như chất kết dính giữa các tế bào Khi phá vỡ sự gắn kết này, các chất bên trong tế bào có thể thoát ra dễ dàng hơn Các enzyme đóng vai trò chủ chốt trong việc phá vỡ thành tế bào, từ đó cải thiện hiệu quả thu nhận dịch tế bào.
2.6.2 Quy trình công nghệ trích ly dầu gấc
Hình 2.4 Sơ lược quy trình trích ly tinh dầu gấc
QUY TRÌNH SẢN XUÁT RƯỢU NHO
Quy trình sản xuất [2]
Hình 3.1 Quy trình sản xuất rượu nho
Thuyết minh quy trình [2] [8]
Nho là loại quả lý tưởng để sản xuất rượu, đặc biệt là rượu vang, nổi tiếng cả ở phương Tây và phương Đông Tại Việt Nam, chỉ một số vùng như Thuận Hải và Phú Khánh có điều kiện thuận lợi để trồng nho, do cây nho cần khí hậu khô ráo, nhiều nắng và đất ít chua Việc chế biến rượu vang từ nho đã được thực hiện từ hàng ngàn năm nay vì nhiều lý do.
Rượu có chất lượng tốt với hương vị đậm đà, vị ngọt cân bằng với độ chua và chát của acid, tanin Ngoài ra, sự phong phú của glixerin, acid amin và muối khoáng cùng màu sắc óng ả nhờ chất anto-xian và tanin tạo nên một trải nghiệm thưởng thức tuyệt vời.
Quả thích hợp có thành phần hóa học đặc biệt, giúp quá trình lên men diễn ra dễ dàng và tạo ra độ rượu cao Điều này không chỉ ức chế hoạt động của các vi khuẩn có hại mà còn giúp rượu được bảo quản lâu dài.
Sản lượng nước quả trên mỗi hecta có thể đạt từ 200-300 hectolit, tương đương 20.000-30.000 lít, nhờ vào năng suất quả và tỉ lệ nước cao Tuy nhiên, tại Thuận Hải, hiện tại chỉ trồng các giống nho ăn tươi với năng suất thấp và độ chua không đủ, khiến cho việc sản xuất rượu vang không mang lại hiệu quả kinh tế do giá bán trên thị trường quá cao.
Thành phần của quả nho
Đường : 10 – 25% (chủ yếu là glucose, fructose và saccharose)
Acid hữu cơ : 0,5 – 1,7% (chủ yếu là acid malic và factoric)
Các hợp chất màu: màu chính là anthocyanin
Các hợp chất thơm và một số hợp chất khác
Nho được thu gặt hái khi đạt khoảng 0,65% độ acid và 23 o Brix (Brix là đơn vị đo lượng đường còn lại trên nho)
3.2.1.2.1 Nấm men dại a Hanseniaspora apiculata
Hình 3.2 Nấm men Hanseniaspora apiculata
Tạo ra một loạt các acid bay hơi làm cho dịch có mùi tạp, và nó còn kìm hãm các loại nấm men chính trong lên men b Pichia
Khi lên men đường, nấm men Pichia không tạo ra sản phẩm mà chỉ đồng hóa chất hữu cơ thông qua quá trình oxy hóa Pichia oxy hóa rượu dẫn đến sự hình thành acid hữu cơ, gây ra hiện tượng đục trong vang thành phẩm Lớp màng Pichia xuất hiện trên bề mặt vang cũng làm biến đổi các thành phần trong nho.
Hình 3.3 Nấm men Pichia c Zygopichia
Nấm men Zygopichia không tham gia vào quá trình lên men rượu, nhưng có thể làm đục rượu vang sau khi chiết chai Khi phát triển, nấm men này sản sinh ra acid citric, rượu acetic và nhiều loại acid khác, dẫn đến sự gia tăng độ chua của vang.
Hansenula có khả năng sinh trưởng nhanh trên bề mặt dịch quả, tạo ra các ester bay hơi giúp vang có mùi thơm đặc trưng Tuy nhiên, sự phát triển này cũng có thể làm cho vang bị đục.
Mycoderma vini là một loại nấm men tạo ra màng rất mạnh, giúp giảm độ rượu của vang xuống dưới 12% Nấm này phát triển trên bề mặt của rượu vang, làm giảm hàm lượng rượu và tạo ra các acid bay hơi, dẫn đến vị chua gắt cho vang Đồng thời, sự phát triển của Mycoderma vini cũng làm cho vang có màu đục.
3.2.1.2.2 Nấm men thường sử dụng trong lên men rượu vang nho a Saccharomyces cerevisiae
Hình 3.5 Nấm men Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae là loại nấm men chủ yếu trong quá trình lên men rượu vang, chiếm tới 80% tổng số Saccharomyces có mặt trong nước quả Loại nấm men này có khả năng chuyển hóa đường saccharose thành glucose và fructose, tạo ra nồng độ rượu từ 8-10% so với thể tích Với đặc tính nổi bật trong việc tạo cồn, chịu sulfite, và tổng hợp các hợp chất bay hơi, Saccharomyces cerevisiae góp phần tạo nên hương vị đặc trưng cho rượu vang Ở giai đoạn cuối của quá trình lên men, nấm men này lắng nhanh và làm trong dịch rượu, tuy nhiên, chúng thường già đi và không thể tiếp tục chuyển hóa thành cồn, dẫn đến cái chết nhanh chóng của chúng.
Giống nấm men Saccharomyces cerevisiae có nhiều ưu điểm :
Lên men nhanh và sâu các loại đường
Kết lắng tốt, do đó dễ tách sinh khói nấm men ra khỏi dịch lên men
Tạo múi thơm đặc trưng cho rượu vang
Bền vững với rượu, acid và các chất sát trùng
Nấm men này được chiết xuất từ nước nho và rượu, có khả năng sinh bào tử mạnh mẽ trên môi trường thạch-malt Các chủng của loài nấm men này có khả năng lên men đạt 12-13% cồn trong dung dịch nước nho.
Hình 3.6 Nấm men Saccharomyces uvarum c Saccharomyces chevalieri
Hình 3.7 Nấm men Saccharomyces chevalieri
Nấm men này được chiết xuất từ nước nho lên men tự nhiên và vang non từ dịch quả cọ, dừa Chúng có khả năng sản sinh độ cồn lên đến 16 độ, thường đi kèm với các loại nấm men khác.
Saccharomyces oviformis là loại nấm men được chiết xuất từ nho lên men tự nhiên, nổi bật với khả năng chịu đựng đường và cồn cao, có thể lên men đến 18% cồn Loại nấm men này rất phù hợp để lên men dịch quả có hàm lượng đường cao, giúp tạo ra vang khô với kết quả tối ưu Giống nấm men này có khả năng lên men các loại đường như glucose, fructose, maltose, saccharose và 1/3 rafinose, nhưng không lên men được lactose, pentose và galactose.
Mục đích: loại ra những quả hư hỏng do quá trình chín, dập nát trong quá trình vận chuyển
Mục đích của việc rửa nho là loại bỏ các tạp chất, thuốc trừ sâu và vi sinh vật bám trên bề mặt Giai đoạn này cần được thực hiện nhanh chóng để bảo vệ các chất hòa tan trong nho, tránh để chúng bị mất vào nước rửa.
Mục đích: Loại bỏ cuống ra khỏi nho
Yếu tố ảnh hưởng: độ chín của nho Nho càng chín càng dễ tách cuống
Mục đích: làm giảm kích thước quả nho, giải phóng dịch nho, loại bỏ cuống và hạt ra khỏi dịch
Trong quá trình nghiền xé và tách cuống, nhiệt độ của dịch và bã nho tăng lên do lực ma sát, dẫn đến sự thất thoát của một số vitamin Đồng thời, mật độ các vi sinh vật gây hại cũng gia tăng.
Hình 3.8 Máy nghiền trục vis
Nho sẽ được xử lý qua máy nghiền trục vít, nơi trục nghiền xé sẽ làm tơi nho và tách cuống, hạt khỏi hỗn hợp dịch bã Cuống và hạt sẽ bị đẩy ra ngoài, trong khi hỗn hợp dịch và bã nho sẽ lọt qua các lỗ lưới và được trục vít đẩy ra theo chiều ngược lại.
Mục đích: tận thu các chất chiết có trong bã
Các chất hòa tan sẽ bị tách khỏi tế bào để đi vào dịch nho
Diện tích tiếp xúc với không khí tăng lên, làm tăng khả năng bị oxy hoá của dịch nho
