CHƯƠNG 4 CHẾ BIẾN TINH BỘT VÀ ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ENZYME I. Thủy phân tinh bột • Tinh bột là dạng dự trử carbohydrate thông thường nhứt ở thực vật. Thực vật, vi sinh và các sinh vật bật cao hơn đều dùng nó. Do đó có nhiều loại enzyme có thể thủy phân nó.
• Tinh bột của thực vật xuất hiện ở dạng hạt có nhiều kích thước và tính chất khác nhau tùy loài thực vật. • Sự khác biệt lớn nhứt là tỉ lệ Amylose : Amylopectin giửa các thực vật, Td. Bắp sáp chứa 2% amylose, trong khi đó các bắp khác chứa 80% amylose. Cấu trúc amylopectin và amylose trong tinh bột gồm chuổi glucose nối liền nhau Nối glucosidic ∝ - 1, 4 trong amylose Trong khi đó amylopectin còn có thêm nối ∝- 1,6 • Hầu hết các đơn vị glucose của Amylopectin nối nhau bằng nối glycosidic ∝-1,4, khoảng 4 – 6% glucose nối nhau bằng nối ∝-1, 6.
tạo ra nhánh. Muốn thủy phân amylopectin hoàn toàn thành glucose, người ta cần enzyme có thể thủy phân nối ∝-1, 4 và enzyme thủy phân nối 𝞪-1, 6. • Xưa người ta thủy phân tinh bột bằng acid. Những nhược điểm của phương pháp này là: ➢Cần phải có dụng cụ chống acid ăn mòn ➢Sản phẩm có màu, có mùi & chứa nhiều muối tro (sau khi trung hòa acid).
➢Tốn năng lượng để đun nóng và khó điều chỉnh • Có 2 quy trình thủy phân tinh bột tùy theo ứng dụng: ➢Để tạo sản phẩm để dùng. Tạo ra sirô ➢Để loại bỏ chất tinh bột. Trong quy trình sản xuất đường từ nước mía, người ta loại bỏ chất tinh bột ô nhiểm trong nước mía dùng amylase. Chỉ số Dextrose Tương Đương (Dextrose Equivalent - DE) ➢ Một chỉ số đựơc đặt ra để biểu thị mức độ thủy phân của tinh bột là DE.
• Dextrose equivalent DE dựa trên số nối glycosidic DE của maltose = 50 (Maltose = 2 glucose. Một nối cắt, một nối không cắt. Tức là chỉ 50% nối trong tinh bột bị cắt) • Hoặc dựa trên số glucose được thủy phân / tổng số carbohydrate • DE của tinh bột = 0 (không có glucose). DE glucose = 100 Sự chuyển hóa tinh bột • Phương pháp chuyển hóa bằng acid / nhiệt từ tinh bột thành đường có năng xuất thấp, thủy phân không hoàn toàn (DE = 35 – 45).
Dùng ∝-amylase thì DE = 60 – 80. Khoảng thời gian này enzyme dùng không chịu nhiệt nên DE vẫn còn thấp. Bắt đầu từ 1970’ người ta tìm được amylase của vi trùng chịu nhiệt. DE bây giờ là 95 – 98.
• Có 3 giai đoạn chuyển hóa tinh bột là Hóa keo (gelatinization), Hóa lỏng (liquefaction) và Hóa đường (Saccharification) 1. Giai đoạn hóa keo (gelatinization) • Hạt tinh bột gồm: ➢ Lớp kết tinh (crystalline lamella) chứa chuổi thẳng amylose và chuổi nhánh amlopectin. Các chuổi này dính nhau nhờ nối hydrogen. ➢ Lớp vô định hình (amorphous lamella) xen kẻ với lớp kết tinh • Hóa keo là tiến trình làm gảy nối hydrogen giửa các phân tử của tinh bột.
Tiến trình này gồm: ➢ Khi hâm nóng, nước thấm vào lớp vô định hình ➢ Nhiệt làm cho lớp kết tinh dể thấm. Nối hydrogen thấm và tan trong nước. Phân tử amylose / amylopectin hòa nhập vào lớp vô định hình. ➢ Nước càng thấm nhiều vào hạt tinh bột.
Phân tử amylose / amylopectin lan ra vùng nước xung quanh và hạt bột bị rả ra. • Tiến trình hóa keo làm cho phân tử amylose lộ ra sẳn sàng để cho amylase thủy phân. • Hầu hết tinh bột hóa keo ở khoảng 60 – 800C tùy theo tỉ lệ amylose / amylopectin trong tinh bột. Cấu trúc của hạt tinh bột Cấu trúc của hạt tinh bột Vòng kết tinh của hạt tinh bột gồm phần lớn các chuổi glucose nhánh (∝-1, 6.
amylopectin) và một ít chuổi thẳng (∝-1,4. amylose) Nối hydrogen trong và giửa chuổi amylose / amylopectin 2. Giai đoạn Hóa lỏng (Liquefaction) • Mục tiêu của giai đoạn này là thủy phân các phân tử của tinh bột với enzyme trong điều kiện ấn định về nhiệt độ, áp suất và thời gian tác động. • Trong giai đoạn này, nếu người ta chỉ dùng 𝝰-amylase thôi thì chỉ nối glycosidic ∝-1, 4 bị cắt cho ra một hổn hợp polysaccharides ngắn hơn gồm amylodextrin và maltodextrin.
Điều này làm sản phẩm mất độ sánh đặc, biến từ dạng keo thành dạng lỏng. • Maltodextrins chỉ hơi ngọt thôi. • Giai đoạn này cũng tạo ra một số thành phần không hòa tan 3. Giai đoạn Hóa đường (Saccharification) • Trong giai đoạn này người ta dùng amyloglucosidase ( 𝛄- amylase hay glucoamylase) để thủy phân amylodextrin tạo thành glucose và maltose.
𝞬-amylase thủy phân nối glucosidic 𝞪-1, 6 • Trên lý thuyết thì amyloglucosidase có thể hoàn toàn thủy phân tinh bột thành glucose. Trong thực tế thì người ta thấy còn một ít maltose và isomaltose. • Người ta cũng có thể dùng một enzyme thủy phân tinh bột chuổi nhánh 𝝰- 1, 6 trong giai đoạn Hóa đường này. Đó là enzyme pullulanase.
• Giai đoạn Hóa đường cho ra nước sirô có DE ~ 96 - 98 II. Sản xuất sirô fructose từ tinh bột • Mục tiêu chánh của sirô là cho vị ngọt. Các loại đường có độ ngọt khác nhau. Xếp hạng vị ngọt giửa những loại đường như sau từ ngọt nhứt xuống ít ngọt hơn là: Fructose Sucrose Glucose Maltose Lactose • Vì Fructose ngọt nhứt nên người ta chuyển sirô glucose thành sirô fructose bắp (High-Fructose Corn Sirup – HFCS).
• Quy trình sản xuất HFCS gồm 2giai đoạn: 1. Giai đoạn hóa đường. Tinh bột của bắp thủy phân thành glucose chỉ bằng enzyme glucoamylase (đây cũng là tên của 𝞬- amylase. Enzyme này có khả năng thủy phân nối glucosidic 𝞪- 1, 6) hay cùng với ∝-amylase.
Giai đoạn isomerize. Glucose được biến thành fructose. • Người ta phải trích tinh bột ở nhiệt độ cao (vì tinh bột khó tan trong nước), nên các enzymes dùng phải từ nguồn chịu nóng và có hoạt tính tối hảo ở nhiệt độ cao • Bơm sirô glucose xuyên qua cột chứa glucose isomerase. Glucose biến thành fructose cho sản phẩm HFCS-90 (90% fructose).
Người ta pha loảng với glucose ra thành HFCS-55 hay HFCS-42, tức là sirô có nồng độ fructose là 55 hay 42%. • HFCS là từ tinh bột bắp. Mỹ sản xuất nhiều bắp. Do đó HFCS dùng nhiều ở Mỹ như trong thức ăn, uống như nước ngọt, bánh mì, yaourt.
• HFCS rẽ hơn và ngọt hơn đường. Nó ở dạng thể lỏng nên dễ xử dụng. • Đường nhân tạo (AS) có cấu trúc hóa học hoàn toàn khác với đường thiên nhiên. Bốn loại AS được chấp thuận ớ Mỹ là: saccharin, aspartame, acesulfame-K và sucralose.
• Dr Fahlberg của Đại học Maryland đang oxi hóa toluene sulfonamides. Ông làm dính chất này trên tay. Khi ông ăn trưa ông thấy bánh mì của ông quá ngọt là do chất dính trên tay. Ông đặt tên chất này là saccharin.
• Giáo sư Hough của Cao đẳng Queen Elizabeth tạo ra một hổn hợp chlorinated sugar dùng đo lường 1 hóa chất trong phòng thí nghiệm. Sau khi tổng hợp được chất đó, ông bảo 1 sinh viên người Ấn “test” chất đó xem dùng được không. Sinh viên này “taste” nó và cho biết rất ngọt. Đây là sucralose • Saccharin là derivative của sulphonamide toluene.
Aspartame là aspartic acid, Acesulfame K là isothiazinone dioxide. Chỉ có sucralose là xuất xứ từ sucrose. • Đường sucrose cũng như AS bám vào điểm bám trên nụ vị giác, tạo ra cảm giác ngọt. Các điểm bám này có đầy trên bề mặt của lưởi và trong miệng • AS có calorie thấp hay zero calorie vì cơ thể không thể tiêu hóa AS.
Các chất AS chỉ đi qua đường tiêu hóa chứ không được hấp thụ. Chỉ có sucralose là làm từ đường. Tuy nhiên cơ thể chúng ta không nhận ra chất đường nên không biến dưởng, do đó không tạo ra calories III. Hiện tượng thủy phân cellulose và ứng dụng • Khi dầu hỏa cạn thì Biofuel sẽ dùng để thay thế.
Nguyên liệu của biofuel là đường từ tinh bột. Hiện tại thì hầu hết carbohydrates trong sinh khối sẳn có là từ cellulose, hemicellulose và lignocellulose (cellulose và lignin). Nhưng ít ai dùng vì phí tổn biến ra chất đường quá cao. Cấu trúc của cellulose.
➢Cellulose là một polysaccharide gồm một chuổi thẳng với hằng ngàn đơn vị glucose nối liền nhau bởi nối b-1, 4. ➢Các chuổi cellulose không nhánh chen chật vào nhau nhờ nối hydrogen giửa các chuổi. Nhờ vậy mà làm cho thân cây vững chắc. Tinh bột, ∝ Glucose, nối ∝ -1, 4.
Tất cả đơn vị đều cùng một hướng, nhóm OH vị trí 1 (xanh) và vị trí 4 đều hướng xuống. Cellulose, 𝛽 glucose, nối 𝛽-1, 4. Nhóm OH ở vi trí 1 hướng lên trong khi OH ở vị trí 4 hướng xuống. Do đó đơn vị glucose 2 phải lộn đầu để hai OH của glucose 1 và 2 có thể nối nhau và nối 𝛽-1,4 giửa glucose 1 và 2 nằm phía trên.
Vì glucose 2 lộn đầu nên nối giửa glucose 2 và 3 nằm phía dưới Tinh bột và glycogen: các nối giửa đơn vị glucose là ∝-1, 4, 𝞪 1, 6 và có nhánh; Cellulose: Nối 𝞫 1, 4 và không nhánh 2. Thủy phân cellulose • Vi trùng chỉ có thể xử dụng glucose trong tiến trình tạo nhiên liệu sinh học. • Các sợi cellulose chen đặc nhau. Nó không tan trong nước, trong dung môi hữu cơ hoặc trong acid hay kiềm yếu.
• Người ta có thể phá hủy cấu trúc cellulose để biến nó thành dạng vô định hình bằng nhiệt độ (3000C) và áp suất (25MPa) (1megapascal=145 psi). Có 2 cách thủy phân cellulose: 1. Dùng acid mạnh đậm đặc ở nhiệt độ và áp suất cao. Dùng enzyme ở điều kiện ôn hòa • Phương pháp 1 không chọn vì chất độc của phế phẩm tạo ra ảnh hưởng đến vi trùng / men trong tiến trình lên men.
Thủy phân cellulose bằng Enzyme và phí tổn • Người ta cần các vi trùng có thể tiết ra những enzymes, cần loại thủy phân cellulose thành đoạn ngắn; và loại thủy phân các đoạn này thành glucose. • Sản xuất biofuel từ cellulose phí tổn cao hơn từ tinh bột. phí tổn sản xuất ethanol từ cellulose là $1.5 / gallon, từ tinh bột là $1 / gallon. • 50% phí tổn sản xuất biofuel là do tiến trình thủy phân cellulose bằng enzyme.
Trong tiến trình này phí tổn sản xuất enzyme cellulase chiếm khoảng 15-25% tổng phí tổn. Ứng dụng enzyme trong lên men • Hầu hết tất cả tiến trình thủy phân tinh bột trong kỹ nghệ đều dùng vi sinh để tạo ra enzyme. Vi sinh được dùng nhiều nhứt là Bacillus licheniformis, Bacillus amyloliquifaciens, Aspergillus niger và yeast Saccharomyces cerevisiae • Amylases là enzyme chánh dùng trong kỹ nghệ thực phẩm, sản xuất bia, dệt, detergent và dược phẩm. Aq = aqueous • Enzymes trong men thủy phân tinh bột thành glucose.
Trong môi trường hiếm khí, men biến glucose ra ethanol và CO2. • Trong tiến trình làm bánh mì, người ta ủ bột nhồi ở nơi ấm.