Luận văn: Ảnh hưởng nhiệt độ và pH đến enzyme phenolase nha đam - ĐH Cần Thơ

Dưới đây là meta tags cho bài viết: { "ai_description": "Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến hoạt tính của enzyme phenolase trong nha đam. Luận văn

• Tác giả: Phan Thị Thúy Phượng
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Thị Thu Thủy
• Trường học: Trường Đại học Cần Thơ
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến hoạt tính enzyme phenolase trong nha đam
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Cần Thơ

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng nhiệt độ pH đến enzyme phenolase trong nha đam

Enzyme phenolase, còn gọi là polyphenol oxidase, là enzyme xúc tác phản ứng oxy hóa các hợp chất phenol thành quinone, dẫn đến sự hóa nâu trong thực phẩm. Trong nha đam, enzyme này đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp và bảo vệ tế bào. Hoạt tính của phenolase phụ thuộc mạnh vào điều kiện môi trường, đặc biệt là nhiệt độ và pH. Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc protein của enzyme, trong khi pH quyết định trạng thái ion hóa của các nhóm chức năng trong enzyme. Nha đam chứa hàm lượng phenolase đáng kể, gây hiện tượng thâm đen khi bị tổn thương. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và pH giúp xác định điều kiện tối ưu cho hoạt động enzyme, cũng như điều kiện vô hoạt enzyme nhằm ngăn chặn sự biến đổi màu không mong muốn trong quá trình chế biến.

1.1. Cơ chế hoạt động của enzyme phenolase trong nha đam

Enzyme phenolase hoạt động theo cơ chế oxy hóa khử, sử dụng oxy phân tử để oxy hóa các hợp chất phenol thành quinone. Quá trình này diễn ra qua hai giai đoạn: hydroxyl hóa monophenol thành o-diphenol bởi hoạt động monophenolase, sau đó oxy hóa diphenol thành quinone bởi hoạt động diphenolase. Cơ chất chính của enzyme trong nha đam là catechin, thuộc nhóm flavonoid. Phản ứng hóa nâu xảy ra khi quinone tương tác với các hợp chất khác trong tế bào, tạo thành các polymer có màu sắc. Cơ chế này giúp nha đam chống lại sự xâm nhập của vi sinh vật nhưng cũng gây khó khăn trong chế biến thực phẩm.

1.2. Vai trò sinh học của phenolase trong nha đam

Phenolase trong nha đam tham gia vào quá trình tổng hợp các hợp chất phenolic có chức năng bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa và tác nhân gây bệnh. Enzyme này cũng đóng vai trò trong quá trình sinh trưởng, phát triển và đáp ứng với điều kiện môi trường khắc nghiệt. Khi nha đam bị tổn thương cơ học hoặc nhiễm bệnh, hoạt tính phenolase tăng cao nhằm sản xuất các hợp chất có hoạt tính kháng sinh. Tuy nhiên, sự hoạt động quá mức của enzyme này cũng dẫn đến hiện tượng thâm đen, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

II. Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính enzyme phenolase

Nhiệt độ là yếu tố quyết định hoạt tính enzyme thông qua tác động lên cấu trúc protein. Ở nhiệt độ thấp, hoạt tính enzyme giảm do giảm năng lượng phân tử, trong khi nhiệt độ cao làm biến tính protein do phá vỡ liên kết hydrogen và tương tác kỵ nước. Trong nghiên cứu trên nha đam, hoạt tính phenolase đạt đỉnh tại 50°C, sau đó giảm dần khi tăng nhiệt độ. Tại 100°C, enzyme bị vô hoạt hoàn toàn do biến tính không thuận nghịch. Ở nhiệt độ phòng (25-30°C) và 40°C, enzyme thể hiện hoạt tính cao trong môi trường pH kiềm (pH=8). Sự phụ thuộc vào nhiệt độ cho thấy enzyme phenolase trong nha đam có độ bền nhiệt tương đối thấp, dễ bị bất hoạt bởi nhiệt độ cao.

2.1. Điểm tối ưu nhiệt độ cho hoạt động enzyme

Điểm tối ưu nhiệt độ cho hoạt động phenolase trong nha đam là 50°C, nơi enzyme đạt hoạt tính xúc tác cao nhất. Tại nhiệt độ này, enzyme duy trì cấu trúc bậc ba ổn định, tạo điều kiện thuận lợi cho sự liên kết với cơ chất catechin. Hoạt tính enzyme giảm mạnh khi nhiệt độ vượt quá 60°C do bắt đầu xảy ra hiện tượng biến tính protein. Sự thay đổi cấu trúc protein làm mất khả năng liên kết với cơ chất, dẫn đến giảm hoạt tính. Nhiệt độ tối ưu phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme và loại cơ chất sử dụng.

2.2. Cơ chế vô hoạt enzyme bởi nhiệt độ cao

Nhiệt độ cao gây ra sự biến tính protein thông qua phá vỡ liên kết hydrogen, liên kết ion và tương tác kỵ nước trong cấu trúc enzyme. Khi nhiệt độ vượt quá 70°C, enzyme phenolase trong nha đam bắt đầu mất hoạt tính do sự biến đổi cấu trúc bậc ba. Tại 100°C, quá trình biến tính xảy ra hoàn toàn, enzyme mất hoàn toàn khả năng xúc tác. Sự vô hoạt này là không thuận nghịch, khác với sự ức chế bởi pH. Cơ chế này được ứng dụng trong công nghệ thực phẩm để ngăn chặn sự hóa nâu không mong muốn trong quá trình chế biến.

III. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hoạt tính enzyme phenolase

pH môi trường ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của các nhóm chức năng trong enzyme, quyết định khả năng liên kết với cơ chất. Enzyme phenolase trong nha đam hoạt động tốt nhất ở pH=6, tương ứng với môi trường axit yếu. Tại pH axit (pH=2-4), hoạt tính enzyme giảm mạnh do sự thay đổi cấu hình protein và cạnh tranh của ion H+ với cơ chất. Trong môi trường kiềm (pH>8), hoạt tính cũng giảm do sự biến tính enzyme. Độ bền pH của enzyme phụ thuộc vào nguồn gốc, độ tinh khiết và loại cơ chất. Kết quả nghiên cứu cho thấy enzyme phenolase trong nha đam bền nhất ở pH=6, kém bền ở pH=2 và pH=3 sau 18 giờ bảo quản.

3.1. Môi trường pH tối ưu cho hoạt động enzyme

Môi trường pH tối ưu cho hoạt động phenolase trong nha đam là pH=6, nơi enzyme đạt hoạt tính xúc tác cao nhất trên cơ chất catechin. Tại pH này, enzyme duy trì cấu trúc bậc ba ổn định, tạo điều kiện thuận lợi cho sự liên kết với cơ chất. Sự thay đổi pH làm thay đổi trạng thái ion hóa của các nhóm chức năng trong enzyme, ảnh hưởng đến khả năng xúc tác. pH tối ưu phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme và loại cơ chất sử dụng. Trong môi trường pH=8, enzyme vẫn thể hiện hoạt tính cao ở nhiệt độ phòng và 40°C.

3.2. Độ bền pH và ứng dụng trong bảo quản

Độ bền pH của enzyme phenolase trong nha đam phụ thuộc vào nguồn gốc, độ tinh khiết và loại đệm sử dụng. Enzyme bền nhất ở pH=6, nơi cấu trúc protein ổn định nhất. Tại pH=2 và pH=3, enzyme dễ bị biến tính do sự thay đổi mạnh mẽ trong cấu hình protein. Độ bền pH giảm theo thời gian bảo quản, đặc biệt trong môi trường axit mạnh. Kết quả nghiên cứu cho thấy hoạt tính enzyme giảm sau 18 giờ bảo quản so với 6 giờ, đặc biệt rõ rệt ở pH=2 và pH=3. Độ bền pH là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn điều kiện bảo quản enzyme.

IV. Kết luận và ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Nghiên cứu đã xác định điều kiện tối ưu cho hoạt động enzyme phenolase trong nha đam là nhiệt độ 50°C và pH=6. Enzyme bị vô hoạt hoàn toàn ở 100°C, trong khi môi trường pH=2-4 và pH=12 cũng gây bất hoạt enzyme sau thời gian bảo quản. Kết quả này cung cấp cơ sở khoa học cho việc kiểm soát hoạt tính enzyme trong quá trình chế biến nha đam. Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm bao gồm việc lựa chọn điều kiện nhiệt độ và pH phù hợp để ngăn chặn sự hóa nâu không mong muốn. Ngoài ra, nghiên cứu cũng đề xuất các phương pháp trích xuất enzyme tinh khiết hơn nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng.

4.1. Kết luận từ nghiên cứu thực nghiệm

Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ 50°C và pH=6 là điều kiện tối ưu cho hoạt động enzyme phenolase trong nha đam. Enzyme bị vô hoạt hoàn toàn ở 100°C do biến tính protein không thuận nghịch. Tại nhiệt độ phòng và 40°C, enzyme hoạt động tốt nhất ở pH=8. Môi trường pH=2-4 và pH=12 gây bất hoạt enzyme sau thời gian bảo quản. Độ bền pH của enzyme phụ thuộc vào nguồn gốc, độ tinh khiết và loại đệm sử dụng, với độ bền cao nhất ở pH=6.

4.2. Ứng dụng trong kiểm soát chất lượng sản phẩm

Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để kiểm soát hoạt tính enzyme phenolase trong quá trình chế biến nha đam. Việc lựa chọn nhiệt độ 50°C và pH=6 giúp tối đa hóa hoạt tính enzyme trong sản xuất các sản phẩm từ nha đam. Ngược lại, sử dụng nhiệt độ 100°C hoặc môi trường pH=2-4 có thể vô hoạt enzyme, ngăn chặn sự hóa nâu không mong muốn. Nghiên cứu cũng đề xuất các phương pháp trích xuất enzyme tinh khiết hơn nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng trong công nghệ thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN Trên thế giới, sản phẩm từ nha đam được biết đến từ khá lâu ở cả ba dạng là thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm. Với các thành phần hóa học có lợi cho người tiêu dùng về mặt dinh dưỡng và sức khỏe, đặc biệt là cung cấp 20 acid amin cần thiết cho cơ thể trong đó đã có đến 7 acid amin không thay thế. Ngoài ra, nha đam còn cung cấp các chất chống oxi hóa, các thành phần có tính chất dược lý như chất nhầy, chất nhựa có tác dụng mát gan, kích thích hệ thống miễn nhiễm và có tác dụng tốt đối với hệ thống tiêu hóa,… Với các đặc điểm ấy, các sản phẩm từ nha đam ngày càng được ưa chuộng. Tuy nhiên, sự tồn tại của enzyme phenolase trong nha đam đã tạo nên cản trở trong quá trình sản xuất, vì nó gây phản ứng hóa nâu làm biến đổi màu sắc của sản phẩm.

Enzyme phenolase được xếp loại trong nhóm oxidoreductase, phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Chúng có mặt ở cả động vật và thực vật, là enzyme khởi đầu cho phản ứng hóa nâu. Tuy nhiên, trong đa số các sản phẩm thực phẩm, sự hóa nâu thường không mong muốn vì nó ảnh hưởng đến màu sắc tự nhiên của sản phẩm, là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến giá trị cảm quan của thực phẩm. Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm tìm ra những điều kiện cũng như những hợp chất có thể vô hoạt enzyme phenolase.

Sự vô hoạt enzyme này cũng như những enzyme khác chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: pH, nhiệt độ, sự hiện diện của các ion kim loại cũng như nguồn gốc của enzyme,… Chính vì thế đề tài này đã được tiến hành để hiểu rõ hơn tác động của nhiệt độ và pH đến enzyme phenolase trong nha đam. Sự hiểu biết này có thể ứng dụng vào sản xuất thực tế nhằm ngăn chặn sự hóa nâu các sản phẩm được chế biến từ nha đam.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu chính của đề tài là khảo sát ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ và pH lên hoạt tính enzyme, từ đó có thể xác định điều kiện để vô hoạt enzyme phenolase trong nha đam. Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 1 Luận văn tốt nghiệp khóa 32 – 2010 Trường Đại Học Cần Thơ CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU NHA ĐAM 2.1 Giới thiệu chung về nguyên liệu 2.1 Nguồn gốc Cây nha đam (hình 1) từ xa xưa đã được xem là một nguồn nguyên liệu vô giá và được sử dụng trong cả Đông y và Tây y. Cây nha đam được phát hiện từ năm thứ ba trước công nguyên, có tên gốc tiếng Anh là Aloe Vera, thuộc họ Lillaceae, có đến khoảng 240 loài khác nhau.

Phần lớn các giống Aloe Vera có nguồn gốc từ Châu Phi, nhưng Aloe Vera Barbadensis miller lại phát sinh ở Địa Trung Hải. Chính vì nằm trong vùng lân cận nên công dụng của giống cây này được người Châu Âu biết đến và sử dụng rất phổ biến. Các bằng chứng trên các vách đá, đền đài, các văn tự cổ xưa và các sách vở y khoa cổ của người Ba Tư, người Ả Rập, La Mã, Ấn Độ, các bộ lạc Châu Phi, Châu Mỹ đã chứng minh cây nha đam được sử dụng để chữa nhiều bệnh tật, tăng cường sinh lực và làm đẹp. Trên vách Kim Tự Tháp có một số tư liệu, hình ảnh về việc hai nữ hoàng Ai Cập nổi tiếng là Nefetiti và Cleopatra đã sử dụng loài thảo dược này để chăm sóc và bảo vệ nhan sắc của mình.

Còn đại đế Hy Lạp Alexandra đã dùng nha đam để chữa vết thương cho binh lính của mình trong những cuộc viễn chinh. Những dòng chữ tượng hình và những hình vẽ còn lưu lại trên những bức tường ở những đền Ai Cập cho thấy cây nha đam đã được biết đến và sử dụng cách đây hơn 3000 năm. Cho đến tận ngày hôm nay con người đã chứng minh và khẳng định được vai trò của cây nha đam trong cuộc sống con người, cụ thể hơn là trong lĩnh vực thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm.2 Đặc điểm Nha đam còn có tên gọi khác như lô hội, lư hội, tượng đảm, du thông, lưỡi hổ (hổ thiệt), long tu,… Nha đam thuộc giới Plantae, ngành Magnoliophyta, lớp Lilliopsida, phân lớp Liliidae, bộ Asparagales, họ Asphodelaceae, giống Aloe. - Đặc điểm thực vật: Nha đam là loại cây sống lâu năm, phần trên mang lá tập trung thành hình hoa thị.

Lá hình mũi mác dày, mọng nước, có nhiều chất nhầy nên giữ nhiều nước làm cho cây thích ứng nơi khô hạn, màu từ xanh nhạt đến xanh đậm. Lá không cuống mọc thành vành rất sít nhau, hình ba cạnh mép dày, mép có răng cưa thưa và thô cứng như gai nhọn, mặt trên lõm có nhiều đóm không đều, lá dài 30 – 50cm, rộng 5 – 10cm, dày 1 – 2cm ở phía cuống. Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 2 Luận văn tốt nghiệp khóa 32 – 2010 Trường Đại Học Cần Thơ Hình 1 Cây nha đam - Đặc điểm vi phẫu: Lá nha đam cắt ngang (hình 2) có những đặc điểm sau: biểu bì dày, phần ngoài gồm các tế bào thành mỏng chứa những hạt diệp lục, phần giữa lá thì mô mềm gồm các tế bào to hơn chứa chất nhầy. Một số tế bào mô mềm có chứa tinh thể calxi oxalate hình kim, ở ranh giới hai vùng mô mềm có một vòng các bó libe gỗ.

Mỗi bó libe gỗ gồm các mạch gỗ ở giữa và libe xung quanh. Phía ngoài libe có lớp tế bào to chứa các dẫn xuất anthranoid. Các tế bào này chạy dọc theo bó libe gỗ, vì có vách ngăn mỏng nên dễ rách làm cho dịch chứa hoạt chất dễ chảy ra sau khi thu hoạch lá. Hình 2 Lá nha đam cắt ngang 2.3 Điều kiện sống và phân bố - Điều kiện sống: Nha đam rất dễ trồng, dễ chăm sóc và cần ít nước.

Cây tuy thích ánh sáng mặt trời nhưng cũng chịu được bóng mát và đất cằn cỗi. Cây không chịu được úng và nhiệt độ dưới 4,5oC vì ở nhiệt độ này lá cây sẽ bị hư và chất dinh dưỡng quan trọng sẽ bị mất. Vùng đất thích hợp cho nha đam phát triển là vùng đất cát nhiều mùn, vùng đất acid nhẹ. Thông thường vòng đời của nha đam từ 18 – 24 tháng.

- Phân bố: Hiện nay trên thế giới khoảng 300 loài nha đam, ngoài Aloe Vera, Aloe Ferox có tác dụng dược lý còn có một số loài dùng làm cây cảnh như Alo Varigata (Lô hội mỏ két) có hoa màu đỏ, Aloe Macu Lata (Lô hội vằn) hoa màu da cam. Khu phân bố của một số loài nha đam như sau: Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 3 Luận văn tốt nghiệp khóa 32 – 2010 Trường Đại Học Cần Thơ + Loài Aloe Vulgaris Lank ở Bắc Châu Phi, cực Nam Châu Âu, Ấn Độ. Tên trên thị trường quốc tế là Aloe Des Barbades – Aloe Curacao (Aloe Des Indes). + Loài Cap Aloe, Uganda Aloe, Natal Aloe chủ yếu ở Châu Phi, được gọi chung dưới tên thương mại là Zanzibar Aloe.

+ Loài Aloe Firox L. và những loại lai của nó với các loài Aloe Africana Mill., Aloe Spicata Thunb, Aloe Perfoliata L. với tên là Aloe Du Cap phân bố nhiều ở Châu Phi. Ở Việt Nam, nha đam mọc nhiều ở bờ biển Ninh Thuận (Phan Rang, Phan Rí), Bình Thuận và các tỉnh phía Nam.2 Thành phần hóa học Rạch một đường giữa lá nha đam tươi rồi dùng thìa nạo ở giữa lá nha đam, ta sẽ có một chất gel trong suốt.

Gọi là lô hội vì lô là đen, hội là tụ lại, tức là nhựa của nha đam khi cô đặc lại sẽ có màu đen. Lá nha đam gồm ba thành phần chính là : - Vỏ có nhựa chứa trong những tế bào trụ bì (xylem và phloem), vỏ giữ chức năng bảo vệ lá và quang hợp - Lớp chất nhầy - Trong cùng là lớp tế bào sinh dưỡng trong suốt còn gọi là thịt lá hay gel lá Ngoài thành phần chủ yếu là nước, trong nha đam chứa các chất khô có thể chia thành 10 nhóm sau đây 2.1 Vitamin Trong nha đam chứa lượng lớn các vitamin, đặc biệt là vitamin chống oxi hóa như vitamin A (beta-carotene), vitamin C, vitamin E. Trong nha đam cũng có một lượng lớn vitamin D và thậm chí vitamin B12 ở dạng vết, đây là một loại vitamin rất ít thấy từ nguồn gốc thực vật. Vì vậy nha đam là nguồn cung cấp vitamin B12 cho người ăn chay.2 Enzyme Một số enzyme trong nha đam như oxidase, amylase, catalase, lipase, phosphatase, peroxidase,… Các enzyme này có chức năng phân giải đường và chất béo trợ giúp quá trình tiêu hóa đồng thời làm tăng khả năng hấp thu chất dinh dưỡng của cơ thể.3 Chất khoáng Mặc dù chất khoáng và những yếu tố vi lượng chỉ cần một lượng rất ít nhưng chúng rất cần thiết cho sự hoạt động của hệ thống enzyme trong quá trình trao đổi chất.

Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 4 Luận văn tốt nghiệp khóa 32 – 2010 Trường Đại Học Cần Thơ Trong nha đam có nhiều chất khoáng và yếu tố vi lượng như calcium, sodium, potassium, manganase, magnesium, copper, zinc, chromium và chất chống oxi hóa selenium.4 Hợp chất đường Bao quanh phần gel bên trong và được biết như những chất mucoopolysaccharide (một trong những chất thuộc nhóm polysaccharide chứa đường amin và acid uronic) làm tăng hệ thống miễn dịch và giúp giải độc. Nha đam chứa cả đường mono và polysaccharide, quan trọng nhất là sự kết hợp của đường glucose và mannose tạo thành gluco-mannan. Một số hợp chất polysaccharide không được hấp thụ sẽ bám vào những tế bào ở màng ruột như hàng rào ngăn cản hấp thu những chất không mong muốn. Một số đường có trong nha đam như glucose, mannose, gluco-mannan, galactose, aldopentose, L-rhamnose, xylose, glucorunic acid, arabinose.5 Anthraquinone Gồm 12 hợp chất của phenol có trong chất sáp của nha đam như aloin, emodin, isobarbaloin, barbaloin, acid cinnamic, anthracene, antranol, acid aloetic, ethereal oil, resistannol, acid crysophanic, ester của acid cinnamonic.

Phần anthraquinone này thường được trích ra rồi đem đi cô đặc để làm thuốc nhuận tràng. Khi sử dụng thuốc này với liều lượng ít, có kết hợp với phần gel lá sẽ có tác dụng giảm đau, kháng vi khuẩn. Tuy nhiên nếu dùng với liều cao sẽ gây ra tác dụng phụ như: nôn mửa, co thắt ruột, đau ở bụng, tiêu chảy, chuột rút, nước tiểu đỏ và có thể gây ngộ độc đối với cơ thể, làm tổn hại thận. Ngoài ra, anthraquinone có vị đắng nên khi chế biến thực phẩm người ta thường loại bỏ phần nhựa này đi.