Enzyme amylase và ứng dụng

Trường Đại Học Nha Trang
Viện Công Nghệ Sinh Học & Môi Trường
Lớp 50CNSH
GVHD: T.S Vũ Ngọc Bội
SVTH: Nhóm 5
Nha Trang, tháng 9 năm 2010
SEMINAR:
Phần 1: TỔNG QUAN VỀ ENZYME AMYLASE
1.1. Amylase là gì?
1.2. Lịch sử nghiên cứu
1.3. Cơ chất
1.3. Phân loại
1.4. Đặc tính và cơ chế tác dụng
Phần 2: THU NHẬN ENZYME AMYLASE
2.1. Nguồn thu nhận
2.2. Phương pháp thu nhận
Phần 3: ỨNG DỤNG
2.1. Chế biến thực phẩm gia súc
2.2. Nuôi trồng thủy sản
2.3. Thực phẩm
2.4. Sản xuất công nghiệp
2.5. Y học và dược phẩm
Phần 1:

TỔNG QUAN
VỀ ENZYME AMYLASE


Amylase là enzyme thuộc nhóm enzyme thủy phân,
xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm
polysaccharide với sự tham gia của nước:
RR’ + H-OH  RH + R’-OH


Amylase thủy phân tinh bột, glycogen và dextrin thành
glucose, maltose và dextrin hạn chế.

Tinh bột tiếng Hy Lạp là amilon.
Tinh bột có công thức tổng quát là (C6H12O6)n.
Tinh bột: là nhóm Carbohydrate ở thực vật, có chủ yếu trong các loại củ, trong các hạt ngũ cốc.
Tinh bột là polysaccharide carbohydrate chứa hỗn hợp amylose và amylopectin (tỉ lệ thành phần của amylose và amylopectin trong các loại củ, hạt ngũ cốc thường khác nhau)
Amylose có trọng lượng phân tử 50.000 – 160.000 Da.
Amylose được cấu tạo từ 200-1000 phân tử D-glucose nối với nhau bởi liên kết α-1,4-glucoside tạo thành một mạch xoắn dài không phân nhánh
Trong phân tử amylose, nguyên tử C-1 trên phân tử glucose này liên kết với nguyên tử C-4 của phân tử glucose kia, gọi là liên kết α-1,4-glucoside..
Tinh bột chứa nhiều amyloza thì khó bị phân huỷ hơn tinh bột nhiều amylopectin.
Amylopectin có trọng lượng phân tử 400.000 đến hàng chục triệu Da.
Amylose được cấu tạo từ 600-6000 phân tử D-glucose, nối với nhau bởi liên kết α-1,4-glucoside và α-1,6-glucoside tạo thành mạch có nhiều nhánh.
Các đơn vị glucose tạo thành mạch thẳng bằng liên kết α-1,4 glycoside. Các mạch nhánh được tạo bởi các liên kết α-1,6 xuất hiện sau mỗi 24 đến 30 đơn vị D-glucose.
Chỉ một số liên kết trong phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành một lượng dextrin, độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh.
Các dextrin vừa được tạo thành bị thủy phân, tiếp tục tạo ra các dextrin phân tử thấp hơn, maltose, isomaltose và glucose
Trọng lượng phân tử trung bình từ 40000 – 60000 Da.
Bền nhiệt hơn so với các loại enzyme khác (do có ion Ca2+ giữ vai trò ổn định cấu trúc bậc ba của phân tử enzyme)
Bị kiềm hãm bởi các ion kim loại nặng Cu2+, Pb2+, Hg2+. Các ion Mn2+,Na+,Mg2+ không ảnh hưởng đến hoạt tính.
Có thể thu nhận nấm mốc, vi khuẩn, thực vật, mầm lúa
Thường thể hiện hoạt tính trong vùng acid yếu
Ví dụ: α-amylase của nấm mốc hoạt động ở pH 4,5 - 5,8
α-amylase của vi khuẩn hoạt động ở pH 5,8 – 6,1
α-amylase của đại mạch hoạt động ở pH 4,7 -5,4
Những chủng VSV có khả năng sinh tổng hợp α-amylase
có ý nghĩa công nghiệp: B.subtilis, B.licheniformis, A.oryzae.
Đối với Amylose, β - amylase thủy phân các liên kết glucoside bắt đầu từ đầu không khử của mạch, tách dần từng phân tử maltose ra khỏi phân tử cơ chất với hiệu suất thủy phân là 100%
Đối với amylopectin, β - amylase phân cắt các liên kết α-1,4 glucoside nhưng khi gặp liên kết α-1,4 glucoside đứng kế cận liên kết α-1,6 glucoside thì nó sẽ dừng tác dụng. Sản phẩm tạo thành là :
β-amylase không có khả năng thủy phân tinh bột sống, mà chỉ có khả năng thủy phân các tinh bột đã hồ hóa
β-amylase vẫn giữ được hoạt tính khi không có Ca 2+ , và bị kiềm hãm bởi Cu 2+ , Hg 2+ ,urea, iodine, ozon,…
β-amylase chịu nhiệt kém hơn α – amylase nhưng bền với acid hơn. β-amylase bị bất hoạt ở nhiệt độ 70oC. Nhiệt độ hoạt động thích hợp của β-amylase là 50-60oC.
β-amylase hoạt động pH thích hợp 4,2-5,6.
β-amylase có nguồn gốc từ vi khuẩn thì bền nhiệt hơn của thực vật và nấm mốc.


Dựa vào khả năng thủy phân của γ- amylase: chia enzyme này ra làm 2 nhóm nhỏ:
γ – amylase kiểu γ – amylase của R. delemar
γ – amylase kiểu γ – amylase của nấm mốc A. niger
Tiến hành tuần tự ở từng liên kết một, bắt đầu từ đầu không khử của mạch, tách dần từng phân tử của glucose.
Có khả năng thủy phân cả maltose, isomaltose và dextrin
Nhiệt độ hoạt động tối thích 50-600C, hầu như bị mất hoạt tính khi đun nóng trên 700C.
γ-amylase hoạt động pH thích hợp 4,5-5.
γ-amylase bền trong acid kém bền trong ethanol, cetone.
Không bị ức chế bởi các ion kim loại nặng Ag+, Hg 2+.
Những chủng VSV có khả năng sinh tổng hợp γ-amylase có ý nghĩa công nghiệp: nấm mốc: A.niger, A.awamori, nấm men: Endomycopsis.

Phần 2:

NGUỒN THU NHẬN ENZYME AMYLASE
Amylase có trong tuyến tụy và tuyến nước bọt của động vật.
Amylase có mặ trong ngũ cốc nảy mầm với hám lượng cao
Các giống nấm sợi, nấm men và vi khuẩn.
Amylase thu nhận từ nguồn VSV có nhiều ưu điểm:

Hoạt tính của enzyme cao
Định hướng sản xuất enzyme
Thời gian ngắn có thể thu được nhiều eyme
Nguyên liệu sản xuất rẻ tiền và dễ kiếm
Tính chất của một số amylase được thu nhận từ các nguồn khác nhau
QUI TRÌNH LÊN MEN CÔNG NGHIỆP TẠO α -AMYLASE
Chủng mốc giống: Aspergyllus oryzae mã số VTCC-F-048
Bảo quản giống:
Cho cát vào ống nghiệm, tiệt trùng trong autoclave 130oC trong 30 phút.
Trộn bào tử vào cát.
Sấy chân không < 40 oC (độ ẩm 5%).
Dùng parafin rắn đun chảy và đổ lên nút bông.
Thời gian bảo quản: 1 năm hoặc hơn.
Nguyên liệu:
Nguồn tinh bột: cám gạo: chứa khoảng 20% tinh bột, 10–15% chất béo, 10-14% protein, 8-16% cellulose, các chất hoà tan không chứa nitơ 37-59%.
Cám không được chứa hàm lượng tinh bột dưới 20-30%, không có vị chua hay đắng, không hôi mùi mốc, độ ẩm của cám không quá 15%, tạp chất độc không quá 0,05%.
Các phụ phẩm thêm vào để tăng độ thoáng khí cho môi trường nuôi cấy: trấu, mạt cưa…


SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

Xử lý nguyên liệu: cám gạo, trấu và mạt cưa được xử lý để loại bỏ các tạp chất. Trấu cho vào với tỉ lệ 20-25% so với khối lượng cám gạo.
Thanh trùng: Nhiệt độ thanh trùng là 95 oC trong 60 phút. Đồng thời phải thanh trùng khay lên men.
Rải nguyên liệu lên khay có kích thước 2x3 m, độ dày 2-3 cm, dùng 3kg môi trường/khay.
Sau khi làm nguội, tiến hành cấy mốc giống với nồng độ 5-10% so với khối lượng của môi trường ở mỗi khay.
Đưa khay lên các giá đỡ
Nhiệt độ phòng nuôi cấy được giữ ở 25-30 oC, độ ẩm 60-65%, đồng thời phải thoáng khí.
Thuyết minh quy trình
Đến khoảng 30-32 giờ sau khi cấy giống, ta thu nhận enzyme thô. Cần thu nhận enzyme thô vào thời điểm trước khi nấm sinh bào tử vì khi nấm sinh bào tử là lúc quá trình tổng hợp enzyme đa yếu đi. Do đó cần một bước nuôi cấy thử nghiệm để xác định thời điểm thu nhận enzyme thô. Chế phẩm enzyme thô thu được chứa tế bào nấm, cơ chất, nước và enzyme
Để giữ hoạt tính của enzyme, sấy chế phẩm thô này ở nhiệt độ 30-40oC, độ ẩm sau sấy là 10%.
Nghiền mịn: chế phẩm enzyme thô được nghiền với cát và bột thạch anh. Cát và bột thạch anh được rửa sạch, sấy khô trước.
Trích ly: sau khi nghiền, dùng nước để trích ly. Cứ 1l enzym thô, cho 4-5l nước, khuấy nhẹ và sau đó lọc lấy dịch.
Lọc: dịch sau trích ly lọc bằng lọc tiếp tuyến.

Kết tủa enzyme: kết tủa được thực hiện bằng ethanol phải làm lạnh cả dung dịch enzym thô và cả những tác nhân kết tủa để tránh làm mất hoạt tính enzym.Khi đổ chất làm kết tủa enzym vào dung dịch enzym thô phải hết sức từ từ để tránh hiện tượng biến tính. Nhiệt độ từ 3-10 oC và dùng 2 l ethanol cho 1 l enzyme.
Enzyme thu được là 1 hỗn hợp nhiều enzyme khác nhau như: amylase, proteinase, cellulase… Do đó, phải tiến hành sắc ký lọc gel để thu được enzyme amylase. Gel sử dụng là Sephadex G200.
Sấy: sản phẩm sau sắc ký được sấy ở nhiệt độ 30-40 oC để bảo đảm hoạt tính cho enzyme, độ ẩm sản phẩm là 5%.
Phần 3:

ỨNG DỤNG
CỦA ENZYME AMYLASE
Để tăng hiệu suất
sử dụng năng lượng
từ tinh bột

Cho thêm enzyme amylase vào. Enzyme amylase
sẽ tham gia phân giải tinh bột tạo thành đường.
 Giúp cho quá trình chuyển hóa tinh bột tốt hơn.


Ứng dụng:
Enzyme amylase thường được bổ sung trong thành phần các hợp chất hóa học nhằm cải tạo ao hồ, kích thích tăng trưởng và phát triển mạnh của động vật thủy sản ở các giai đoạn mong muốn.

Đối tượng & cơ chế
Cá ăn thực vật:enzyme amylase phân giải tinh bột có trong thức ăn của cá: cỏ, khoai lang, khoai mì…
Cá ăn thịt động vật: enzyme amylase phân giải glycogen hay glucid ở tế bào động vật
Chế phẩm xử lý mùn bã hữu cơ làm sạch đáy ao
ARO-ZYME
Thành phần:
Tổng hợp trên 4 loài vi sinh Bacillus sp, Proteasebenzyme, Amylase enzyme, Lipase enzyme, Cellulase enzyme.
Công dụng:
Làm tăng sự phân hủy chất thải Protein và Carbohydrate trong ao. Khống chế vi sinh vật gây bệnh, kiểm soát chất lượng nước. Phá vỡ các chất hữu cơ, cung cấp các chất vô cơ cho sự phát triển của phiêu sinh vật.
Kích thích tảo phát triển. Giảm khí độc như NH3, H2S. Làm sạch đáy ao giúp tôm sạch mang, khỏe mạnh. Giữ PH nước ao ổn định và tăng hàm lượng oxy trong ao, giúp tôm chống stress và phòng các bệnh do virus gây ra.
TRONG SẢN XUẤT DƯỢC PHẨM
Nguồn cung cấp enzyme amylase là vi khuẩn Bacillus subtilis với ưu điểm là bền hơn trong môi trường acid của dạ dày so với diastase (amylase) lấy từ động vật và vi nấm.

Amylase được sử dụng để phối hợp với coenzyme A, cytocrom C, ATP,carboxylase để chế thuốc điều trị bệnh tim mạch, bệnh thần kinh. Mặt khác amylase phối hợp với enzyme thủy phân để chữa bệnh thiếu enzyme đường tiêu hóa.
Men tiêu hóa Neopeptine
Thành phần
Alpha-amylase: 100mg
Papaine: 100mg
Simethicone: 30mg
Công dụng: điều trị các bệnh về tiêu hóa như chán ăn, ăn không tiêu, đầy hơi, trướng bụng,…
TRONG SẢN XUẤT DƯỢC PHẨM


Trong CN dệt, người ta thường sử dụng enzym amylase của vi khuẩn để tẩy tinh bột và làm cho vải mềm.Trong vải thô thường chứa khỏang 5% tinh bột và các tạp chất khác. Do đó, khi sử dụng chế phẩm enzyme amylase của vi khuẩn; vải sẽ tốt hơn, mềm hơn.
Tuy nhiên ngoài chế phẩm enzym amylase có nguồn gốc từ vi khuẩn, hiện nay người ta đã quan tâm đến việc sử dụng amylase từ nấm sợi.
Nguyên liệu đầu
Kéo sợi, chải, ghép, đánh
Nước, tinh bột, phụ gia,…
Enzyme, NaOH
Hồ sợi
Dệt vải
Rũ hồ
…
Làm sạch vải
Ngâm
Phân giải tinh bột
Rửa dung dịch

α-amylase có khả năng thúc đẩy quy trình khử mực tốt hơn
Nguyên lý hoạt động: chúng bẻ gãy các mạch tinh bột trên mạch giấy kéo theo việc làm bong ra các phân tử mang màu bám trên đó, tạo thuận lợi cho quá trình tuyển nổi khử mực
Qui trình công nghệ:
Nguyên liệu: giấy photocopy, giấy văn phòng loại, giấy in bằng mực laser một mặt có gia keo tinh bột.
Quy trình xử lý: bao gồm các bước ngâm và xử lý giấy loại bằng enzyme α-amylase tại nhiệt độ thường, xử lý cơ hóa nhiệt: đánh tơi có pha trộn hóa chất và gia nhiệt, ủ tại điều kiện nhiệt độ, pha loãng và tuyển nổi, rửa và cô đặc, thành phẩm
Hóa chất sử dụng: enzyme α-amylase, NaOH công nghiệp, Na2SiO3, H2O2, chất hoạt tính bề măt, chất tạo bọt, dầu béo.
TRONG TẨY MÀU GIẤY
TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT CỒN
Để sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu tinh bột, mỗi nước sử dụng các loại nguyên liệu khác nhau. Có thể sử dụng ngô, khoai mì, gạo, tấm lấy từ gạo.
Quá trình sản xuất cồn trải qua hai giai đọan: giai đọan đường hóa và giai đọan rượu hóa.Giai đọan đường hóa, người ta bắt buộc phải sử dụng enzym amylase (không thể sử dụng phương pháp thủy phân tinh bột bằng acid).
Trong giai đoạn đường hóa: bổ sung enzyme amylase để giúp thủy phân hoàn toàn tinh bột thành đường.

Enzyme amylase được sử dụng trong công đoạn thủy phân tinh bột thành đường-cơ chất cho vi sinh vật phát triển
Người ta có thể dùng α-amylase hay β-amylase của các hạt nảy mầm hay của nấm mốc để thủy phân tinh bột thành đường.
TRONG SẢN XUẤT MÌ CHÍNH
Thủy phân
(sử dụng α -amylase hoặc β-amylase)
Phố chế dịch lên men
Thanh trùng
Kết tinh
Sấy tinh thể
Phân loại đóng gói
Bổ sung NaOH
Quy trình sản xuất mì chính

Trong công nghệ sản xuất bia người ta sử dụng enzyme amylase có trong mầm đại mạch.
Enzyme amylase được sử dụng trong quá trình đường hóa tinh bột.
Đại mạch (malt)

TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT BIA
TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT BIA
Trong malt lượng enzym amylase chỉ vừa đủ để phân hủy lượng tinh bột có trong hạt. Như thế cần rất nhiều mầm đại mạch để sản xuất bia ở qui mô lớn, dẫn đến chi phí cao cho sản xuất và sản phẩm.

Để khắc phục điều này, người ta bổ sung enzyme amylase để giảm bớt lượng malt, không phải sử dụng 100% malt đại mạch và có thể bổ sung nguồn tinh bột cho quá trình lên men. Giảm giá thành nhưng vẫn giữ được đặc trưng cho bia.

Enzyme này có ý nghĩa rất lớn trong việc làm bia, giúp sản xuất bia ở qui mô CN.
HFCS: đường fructose cao của siro bắp.
HFCS có thể sản xuất thành nhiều loại đường có độ ngọt khác nhau bằng cách thay đổi tỉ lệ fructose – glucose.
Sau đây là những loại đường HFCS thông dụng nhất:
HFCS 55: có trong các loại nước ngọt. Chứa 45%glucose và 55% fructose
HFCS 42 thấy trong các loại bánh ngọt. Chứa 58%glucose và 42% fructose
HFCS 90 ngọt hơn đường sucrose. Chứa 10% glucose và 90% fructose. Thông thường thì HFCS 90 được trộn chung với HFCS 42 để tạo ra HFCS 55 là loại đường thông dụng trong kỹ nghệ nước ngọt.

TRONG SẢN XUẤT HFCS
Quá trình enzyme làm thay đổi 100% glucose siro bắp thành HFCS 90 theo các bước sau:
Tinh bột bắp được xử lý bằng α-amylase để sản xuất chuỗi đường ngắn hơn gọi là oligosaccharides.
Glucoseamylase phá vỡ những chuỗi đường để sản xuất đường đơn glucose.
Xylose isomerase biến đổi glucose để tạo ra hỗn hợp có khoảng 42% fructose và 50- 52% glucose với một vài loại đường được hòa trộn.
Hỗn hợp 42 - 43% fructose glucose phải chịu qua một bước sắc kí lỏng nơi mà fructose sẽ được làm giàu đến xấp xỉ 90%.
TRONG SẢN XUẤT HFCS
Sơ đồ chuyển hóa tinh bột thành siro fuctose.