Luận văn thạc sĩ về enzyme amylase cố định trên chitosan trong công nghệ thực phẩm

• Tác giả: Nguyễn Thị Bích Ngọc
• Người hướng dẫn: TS. Trần Bích Lam
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm và đồ uống
• Đề tài: Cố định enzyme amylase trên chitosan
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. CÁC ENZYME THỦY PHÂN TINH BỘT (AMYLOLYTIC ENZYME)
• 2.2. ENZYME CỐ ĐỊNH
• 2.2.1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển
• 2.2.2. Đặc điểm của enzyme cố định
• 2.2.3. Ưu và nhược điểm của enzyme cố định
• 2.2.4. Một số phương pháp cố định enzyme
• 2.2.5. Những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme cố định
• 2.3. NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ AMYLASE CỐ ĐỊNH
• 2.3.1. α-amylase cố định
• 2.3.2. β-amylase cố định
• 2.3.3. Glucosamylase cố định
• 2.3.4. Pullulanase cố định
• 2.3.5. Hệ thống 2 enzyme cố định
• 2.4. Giới thiệu về chitosan
• 2.4.1. Tính chất của chitosan
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Enzyme glucose - amylase
• 3.2. DỤNG CỤ THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
• 3.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.3.1. Phương pháp cố định enzyme
• 3.3.2. Phương pháp khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định enzyme
• 3.3.3. Tối ưu hóa quá trình cố định
• 3.3.4. Xác định tính chất enzyme cố định
• 3.3.5. Xác định hiệu suất cố định enzyme
• 3.3.6. Xác định hoạt tính enzyme và hoạt tính còn lại của chế phẩm enzyme cố định
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. CHẾ PHẨM ENZYME α-AMYLASE TỰ DO
• 4.2. CHẾ PHẨM ENZYME GLUCOSE - AMYLASE TỰ DO
• 4.3. KHẢO SÁT THỬ NGHIỆM 2 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH ENZYME α – AMYLASE
• 4.4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN HIỆU SUẤT CỐ ĐỊNH α - AMYLASE
• 4.4.1. Khảo sát thể tích enzyme sử dụng
• 4.4.2. Khảo sát thời gian thực hiện phản ứng cố định enzyme
• 4.4.3. Khảo sát vận tốc lắc đảo
• 4.4.4. Khảo sát kích thước chitosan
• 4.4.5. Khảo sát nồng độ glutaradehyde
• 4.4.6. Tối ưu hóa quá trình cố định α – amylase
• 4.5. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN HIỆU SUẤT CỐ ĐỊNH GLUCOSE - AMYLASE
• 4.5.1. Khảo sát nồng độ glutaradehyde
• 4.5.2. Khảo sát vận tốc lắc đảo
• 4.5.3. Khảo sát thể tích enzyme sử dụng
• 4.5.4. Khảo sát thời gian cố định
• 4.5.5. Khảo sát kích thước chitosan
• 4.5.6. Tối ưu hóa quá trình cố định glucose – amylase
• 4.6. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA ENZYME AMYLASE CỐ ĐỊNH TRÊN CHITOSAN
• 4.6.1. Enzyme α – amylase cố định
• 4.6.2. Enzyme glucose – amylase cố định
• 4.7. KHẢO SÁT HIỆU QUẢ TÁI SỬ DỤNG CỦA ENZYME CỐ ĐỊNH
• 4.7.1. Enzyme glucose – amylase
• 4.8. KHẢO SÁT THỜI GIAN BẢO QUẢN CỦA ENZYME CỐ ĐỊNH
• 4.9. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ENZYME CỐ ĐỊNH TRONG QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT
• 4.10. THIẾT BỊ ĐỀ NGHỊ TRONG PHẢN ỨNG ENZYME VỚI CƠ CHẤT
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 6. CHƯƠNG 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Giới thiệu về enzyme amylase và chitosan

Enzyme amylase là một loại enzyme quan trọng trong quá trình thủy phân tinh bột thành glucose. Enzyme này có khả năng cắt đứt các liên kết glycoside trong chuỗi polysaccharide, từ đó giải phóng glucose. Việc cố định enzyme amylase trên chất mang như chitosan không chỉ giúp tăng hiệu suất hoạt động của enzyme mà còn dễ dàng loại bỏ enzyme khỏi sản phẩm cuối cùng. Chitosan, một polysaccharide tự nhiên, được biết đến với tính chất sinh học tốt và khả năng tương thích cao với các enzyme. Việc sử dụng chitosan làm chất mang cho enzyme không chỉ giúp tăng cường tính ổn định mà còn cải thiện khả năng tái sử dụng của enzyme trong các quy trình công nghiệp. Nghiên cứu này nhằm khảo sát khả năng cố định enzyme amylase trên chitosan và tối ưu hóa các điều kiện để đạt được hiệu suất cao nhất.

II. Phương pháp cố định enzyme amylase trên chitosan

Phương pháp cố định enzyme amylase trên chitosan thường được thực hiện thông qua liên kết cộng hóa trị. Quá trình này bao gồm việc sử dụng glutaldehyde để tạo liên kết giữa enzyme và chitosan. Các yếu tố như nồng độ glutaldehyde, thời gian phản ứng, và kích thước của chitosan đều ảnh hưởng đến hiệu suất cố định enzyme. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể nâng cao đáng kể khả năng tái sử dụng của enzyme amylase. Cụ thể, enzyme amylase cố định trên chitosan có thể được tái sử dụng lên đến 21 lần, cho thấy tính hiệu quả và khả năng ứng dụng cao trong công nghệ thực phẩm. Việc tối ưu hóa điều kiện cố định không chỉ giúp tăng cường hoạt tính của enzyme mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất trong ngành công nghiệp thực phẩm.

III. Tính chất và ứng dụng của enzyme amylase cố định

Tính chất của enzyme amylase cố định trên chitosan đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy rằng enzyme cố định không chỉ duy trì hoạt tính cao mà còn có khả năng hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ và pH khác nhau. Enzyme amylase cố định có thể được ứng dụng trong quá trình thủy phân tinh bột thành glucose syrup, một sản phẩm quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Việc sử dụng enzyme cố định giúp tăng cường hiệu suất sản xuất và giảm thiểu chi phí, đồng thời đảm bảo chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng enzyme trong công nghệ thực phẩm, đặc biệt là trong sản xuất các sản phẩm từ tinh bột.

IV. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu về enzyme amylase cố định trên chitosan đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này trong công nghệ thực phẩm. Việc tối ưu hóa các điều kiện cố định không chỉ nâng cao khả năng tái sử dụng của enzyme mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong sản xuất thực phẩm. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện quy trình cố định và mở rộng ứng dụng của enzyme amylase trong các lĩnh vực khác nhau như y dược và bảo vệ môi trường. Sự phát triển của công nghệ enzyme cố định sẽ góp phần quan trọng vào việc nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm.

Tổng quan nghiên cứu

Enzyme amylase cố định đã trở thành một công cụ quan trọng trong công nghệ thực phẩm, đặc biệt trong quá trình thủy phân tinh bột để sản xuất glucose syrup. Theo ước tính, enzyme amylase cố định giúp tăng hiệu quả thủy phân nhờ khả năng tái sử dụng nhiều lần, kiểm soát quá trình sản xuất tốt hơn và dễ dàng loại bỏ enzyme khỏi sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu này tập trung vào việc cố định hai loại enzyme α-amylase và glucose-amylase trên hạt rắn chitosan bằng phương pháp liên kết cộng hóa trị với glutaraldehyde, nhằm tối ưu hóa điều kiện cố định và đánh giá tính chất của enzyme cố định.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 9/2011 đến tháng 8/2012. Mục tiêu chính là khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định enzyme, tối ưu hóa điều kiện phản ứng và đánh giá khả năng tái sử dụng cũng như tính ổn định của enzyme cố định. Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất glucose từ tinh bột, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường công nghiệp thực phẩm.

Kết quả nghiên cứu cho thấy α-amylase cố định trên chitosan có khả năng tái sử dụng lên đến 21 lần, trong khi glucose-amylase cố định tái sử dụng được 17 lần. Điều này minh chứng cho tiềm năng ứng dụng rộng rãi của enzyme cố định trong các quy trình công nghiệp đòi hỏi sự ổn định và hiệu quả cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về enzyme thủy phân tinh bột, enzyme cố định và tính chất của chitosan. Hai loại enzyme chính được khảo sát là α-amylase và glucose-amylase, thuộc nhóm enzyme amylolytic có khả năng thủy phân liên kết α-1,4 và α-1,6 glycoside trong tinh bột.

• Lý thuyết enzyme thủy phân tinh bột: Bao gồm các nhóm endoamylase (α-amylase) và exoamylase (glucose-amylase), với cơ chế tác dụng khác nhau trong quá trình phân cắt liên kết glucoside.
• Lý thuyết enzyme cố định: Enzyme được gắn kết lên chất mang rắn nhằm tăng tính ổn định, khả năng tái sử dụng và kiểm soát quá trình xúc tác. Các phương pháp cố định phổ biến gồm hấp phụ, nhốt, trao đổi ion và liên kết cộng hóa trị.
• Tính chất của chitosan: Chitosan là polysaccharide có nhóm amino và hydroxyl hoạt động, có khả năng hấp phụ cao và tính kháng khuẩn, được sử dụng làm chất mang cho enzyme cố định nhờ khả năng tạo liên kết cộng hóa trị với glutaraldehyde.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu là: hiệu suất cố định enzyme, hoạt tính enzyme cố định và khả năng tái sử dụng enzyme.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các enzyme α-amylase (Termamyl 120L từ Bacillus licheniformis) và glucose-amylase (Amyloseglucosidase từ Aspergillus niger), cùng với chitosan có độ deacetyl hóa 75% và phân tử lượng trung bình 5,187x10^4 đvC.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phương pháp cố định enzyme: So sánh hai phương pháp cố định α-amylase trên chitosan gồm liên kết cộng hóa trị với glutaraldehyde và phương pháp hấp phụ kết hợp tạo liên kết giữa các enzyme.
• Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng: Thể tích enzyme sử dụng, thời gian phản ứng, vận tốc lắc đảo, kích thước hạt chitosan, nồng độ glutaraldehyde.
• Tối ưu hóa điều kiện cố định: Sử dụng quy hoạch thực nghiệm để xác định điều kiện tối ưu cho cả hai enzyme.
• Xác định tính chất enzyme cố định: Đo pH tối ưu, nhiệt độ tối ưu, hoạt tính riêng và khả năng tái sử dụng enzyme cố định.
• Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 9/2011 đến tháng 8/2012.

Cỡ mẫu được xác định dựa trên các thí nghiệm lặp lại nhiều lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp phân tích chủ yếu là đo hoạt tính enzyme bằng phương pháp quang phổ UV-Vis, xác định hàm lượng protein và đánh giá hiệu suất cố định.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất cố định enzyme α-amylase và glucose-amylase: Phương pháp liên kết cộng hóa trị với glutaraldehyde cho hiệu suất cố định α-amylase cao hơn so với phương pháp hấp phụ kết hợp, với hoạt tính riêng đạt khoảng 75% so với enzyme tự do. Glucose-amylase cố định cũng đạt hiệu suất tối ưu khi sử dụng glutaraldehyde 1% và vận tốc lắc 150 vòng/phút.

2. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ: Thể tích enzyme sử dụng, thời gian phản ứng và kích thước hạt chitosan ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt tính enzyme cố định. Ví dụ, thể tích enzyme 0,5 ml trong 25 ml dung dịch cho hiệu suất cố định cao nhất. Thời gian cố định 4 giờ và kích thước hạt chitosan khoảng 1-2 mm là điều kiện tối ưu.

3. Tính chất enzyme cố định: pH tối ưu của α-amylase cố định là khoảng 7, cao hơn so với enzyme tự do (pH 6), và nhiệt độ tối ưu tăng từ 65°C lên 75°C. Glucose-amylase cố định có pH tối ưu 3,6-4,2 và nhiệt độ tối ưu 60°C. Khả năng tái sử dụng của α-amylase cố định lên đến 21 lần, trong khi glucose-amylase cố định tái sử dụng được 17 lần, cho thấy sự ổn định vượt trội của enzyme cố định trên chitosan.

4. Khả năng bảo quản enzyme cố định: Enzyme cố định duy trì hoạt tính trên 70% sau 3 tháng bảo quản ở 4°C, trong khi enzyme tự do giảm hoạt tính đến 30% trong cùng điều kiện.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp liên kết cộng hóa trị với glutaraldehyde là hiệu quả nhất trong việc cố định enzyme amylase trên chitosan, nhờ tạo liên kết bền vững giữa enzyme và chất mang. Sự gia tăng pH và nhiệt độ tối ưu của enzyme cố định so với enzyme tự do phù hợp với các nghiên cứu trước đây, cho thấy enzyme cố định có tính ổn định cao hơn trong môi trường phản ứng.

Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như thể tích enzyme, thời gian phản ứng và kích thước hạt chitosan được thể hiện rõ qua các biểu đồ hoạt tính enzyme, giúp xác định điều kiện tối ưu cho quá trình cố định. Khả năng tái sử dụng enzyme cố định cao hơn đáng kể so với enzyme tự do, góp phần giảm chi phí sản xuất và tăng hiệu quả công nghiệp.

So sánh với các nghiên cứu khác, kết quả này phù hợp với báo cáo của các nhà khoa học về việc sử dụng chitosan làm chất mang cố định enzyme, đồng thời khẳng định tiềm năng ứng dụng trong sản xuất glucose syrup và các ngành công nghiệp thực phẩm khác.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp liên kết cộng hóa trị với glutaraldehyde để cố định enzyme amylase trên chitosan nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền enzyme trong sản xuất glucose syrup. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất tinh bột và glucose.

2. Tối ưu hóa kích thước hạt chitosan và điều kiện phản ứng (thể tích enzyme, vận tốc lắc, thời gian cố định) để đạt hiệu quả cố định enzyme cao nhất, giảm thất thoát enzyme. Thời gian thực hiện: 1-3 tháng. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

3. Xây dựng quy trình bảo quản enzyme cố định ở nhiệt độ thấp (4°C) để duy trì hoạt tính enzyme lâu dài, giúp giảm chi phí thay thế enzyme mới. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: bộ phận quản lý chất lượng và kho bảo quản.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng enzyme cố định trong các quy trình công nghiệp khác như sản xuất rượu bia, bánh kẹo, dệt may nhằm tận dụng ưu điểm tái sử dụng và ổn định enzyme. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm và Công nghệ Sinh học: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về enzyme cố định, phương pháp cố định và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm.

2. Doanh nghiệp sản xuất tinh bột, glucose syrup và các sản phẩm liên quan: Tham khảo để áp dụng công nghệ enzyme cố định nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và tăng chất lượng sản phẩm.

3. Phòng thí nghiệm phát triển sản phẩm enzyme và chất mang sinh học: Hướng dẫn kỹ thuật cố định enzyme trên chitosan, tối ưu hóa điều kiện và đánh giá tính chất enzyme cố định.

4. Cơ quan quản lý chất lượng và an toàn thực phẩm: Hiểu rõ về công nghệ enzyme cố định để đánh giá và kiểm soát chất lượng sản phẩm có sử dụng enzyme cố định trong quy trình sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Enzyme cố định là gì và có ưu điểm gì so với enzyme tự do?
   Enzyme cố định là enzyme được gắn kết lên chất mang rắn, giúp enzyme không hòa tan trong dung dịch. Ưu điểm gồm khả năng tái sử dụng nhiều lần, ổn định hơn về nhiệt độ và pH, dễ dàng tách enzyme khỏi sản phẩm, giảm chi phí sản xuất.

2. Tại sao chọn chitosan làm chất mang cố định enzyme?
   Chitosan có nhóm amino và hydroxyl hoạt động, khả năng hấp phụ cao, tính kháng khuẩn và có thể tạo liên kết cộng hóa trị với glutaraldehyde, giúp enzyme cố định bền vững và hoạt động hiệu quả trong môi trường công nghiệp.

3. Phương pháp cố định enzyme nào được sử dụng trong nghiên cứu này?
   Nghiên cứu sử dụng phương pháp liên kết cộng hóa trị với glutaraldehyde và phương pháp hấp phụ kết hợp tạo liên kết giữa các enzyme trên hạt chitosan, trong đó phương pháp liên kết cộng hóa trị cho hiệu suất và độ bền enzyme cao hơn.

4. Khả năng tái sử dụng enzyme cố định là bao nhiêu lần?
   α-amylase cố định trên chitosan có thể tái sử dụng đến 21 lần, trong khi glucose-amylase cố định tái sử dụng được 17 lần mà vẫn giữ được hoạt tính xúc tác đáng kể.

5. Điều kiện tối ưu để cố định enzyme trên chitosan là gì?
   Điều kiện tối ưu bao gồm nồng độ glutaraldehyde 1%, vận tốc lắc 150 vòng/phút, thời gian cố định 4 giờ, kích thước hạt chitosan khoảng 1-2 mm và thể tích enzyme sử dụng 0,5 ml trong 25 ml dung dịch.

Kết luận

• Enzyme α-amylase và glucose-amylase có thể được cố định hiệu quả trên hạt chitosan bằng phương pháp liên kết cộng hóa trị với glutaraldehyde.
• Điều kiện cố định tối ưu bao gồm nồng độ glutaraldehyde 1%, vận tốc lắc 150 vòng/phút, thời gian 4 giờ và kích thước hạt chitosan 1-2 mm.
• Enzyme cố định có pH và nhiệt độ tối ưu khác biệt so với enzyme tự do, đồng thời có khả năng tái sử dụng cao (α-amylase 21 lần, glucose-amylase 17 lần).
• Enzyme cố định duy trì hoạt tính ổn định trong thời gian bảo quản dài, góp phần giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả công nghiệp.
• Khuyến nghị áp dụng công nghệ cố định enzyme trên chitosan trong sản xuất glucose syrup và mở rộng ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm khác.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên triển khai thử nghiệm quy mô pilot để đánh giá hiệu quả thực tế và phát triển quy trình sản xuất công nghiệp. Hãy liên hệ với các phòng thí nghiệm chuyên sâu để được hỗ trợ kỹ thuật và tư vấn ứng dụng công nghệ enzyme cố định.