ỨNG DỤNG CỦA AMYLASE TRONG SẢN XUẤT ĐƯỜNG TỪ TINH BỘT KHOAI MÌ

Phụ Gia Thực Phẩm

1


Phụ Gia Thực Phẩm
MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU.
Ở nước ta, trong những năm gần đây, kinh tế đã, đang, và sẽ chuyển biến
mạnh mẽ sang nền kinh tế thị trường, dần dần hóa nhập cũng như gắn liền với sự
phát triển chung của nền kinh tế thế giới. Một trong vơ vàn những hệ quả do sự
thay đổi và phát triển của nên kinh tế là cây sắn ( cây khoai mì).
Hiện nay, cây sắn đang trong quá trình chuyển đổi nhanh chóng từ cây
lương thực truyền thống sang thành loại cây công nghiệp. Một trong những sản
phẩm quan trong từ sắn là tinh bột sắn.Tinh bột sắn được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực trong đó có ngành công nghệ thực phẩm.
Bên cạnh đó, ngay sau khi phát hiện ra sự tồn tại khách quan của vi sinh vật
xung quanh ta ( thế kỷ 17), thì ngành công nghiệp lên men phát triển với tốc độ rất
mạnh mẽ. Đồng thời các nhà khoa học cũng lần lượt sáng tỏ bản chất của quá trình
này và kiền thức về emzyme bắt đầu phát triển mạnh.
Cho đến ngày nay, việc khai thác và sử dụng emzyme đã phát triển thành
một ngành công nghiệp với những kỹ thuật hoàn chỉnh và đem lại nguồn lợi không
nhỏ, tạo ra nhiều sản phẩm phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp và góp phần vào
sự phát triển kinh tế của đất nước.
Với những lý do trên chúng tôi tiến hành tìm hiểu đề tài “ ỨNG DỤNG
CỦA AMYLASE TRONG SẢN XUẤT ĐƯỜNG TỪ TINH BỘT KHOAI MÌ”.

2

Phụ Gia Thực Phẩm

PHẦN A:
TỔNG QUAN
I. TỔNG QUAN VỀ AMYLASE
1. Đặc điểm và phân loại.
Các ứng dụng trong công nghiệp của emzyme tăng mạnh trong một vài năm
gần đây. Thị trường emzyme toàn cầu đạt khoảng 1,4 tỷ USD năm 1996, 1,6 tỷ USD năm
1997 và tăng từ 6,5- 10% hằng năm.
Năm 1996, tổng giá trị các emzyme sử dụng trong công nghiệp biến tính tinh
bột là 156 triệu USD, trong đó α-amylase bền nhiệt, glucose-isomerase(GI) và
Glucoamylase (GA) là những emzyme được sử dụng nhiều nhất.
emzyme khác

Glucose-isomerase

Glucoamylase

α_amylase bền nhiệt

GA+ pullulanase

19%

16%
15%

24%
26%

Hình 1.1: Emxyme thủy phân tinh bột tiêu thụ
trong những năm 1996: 156 triệu đô la mỹ.
Amylase là một trong những hệ emzyme quan trọng nhất trong ngành công
nghệ sinh học hiện nay do nó có ứng dụng hết sức rộng rãi trong công nghệ thực phẩm,
dược phẩm, công nghiệp lên men, công nghiệp dệt và công nghiệp giấy. Amylase đầu tiên
được sản xuất ở quy mô công nghiệp năm 1894, nó có nguồn gốc từ nấm mốc và được sử
dụng như một loại dược phẩm để chữa bệnh về tiêu hóa.

3


Phụ Gia Thực Phẩm
Ngày nay, các amylase được sản xuất từ vi sinh vật đã thay thế thành công acid
trong công nghiệp thủy phân tinh bột. Amylase cũng được sử dụng rộng rãi để đường hóa
tinh bột trong sản xuất rượu bia và sản xuất các sản phẩm đường từ tinh bột.
Theo phân loại gần đây nhất của Nigam ( 1995), hệ Amylase tham gia vào quá
trình thủy phân tinh bột gồm các emzyme chính sau đây:
Endo-α-1,4
glucanase

α_Amylase

α_1,4 glucanase
●β-Amylase
●Glucoamylase
Exo-α-1,4 glucanase
●α-Amyloglucosidase
●Exomalto-tetrahydrolase
● Exomaltopentahydrolase
Emzyme thủy

phân tinh bột

Endo-α-1,6
glucanase

Pullulanase
Isoamylase

Exo-α-1,6
glucanase

Exopullulanase

α_1,6 glucanase

4


Phụ Gia Thực Phẩm
Hình 1.2: Các Amylase tham gia vào quá trình thủy phân tinh bột.

Hình 1.3: Tổng hợp quá trính thủy phân tinh bột cùa Amylase
Bảng 1.1: Các loại Amylase, cơ chế phân cắt và sản phẩm tạo thành
Danh pháp
α-Amylase

Mã số
quốc tế
3.2.1.1

Liên kết bị emzyme cắt

Sản phẩm
thủy phân

Liên kết α-1,4 glucoseide ở bên

Dextrin và hỗn hợp

trong tinh bột, glucose,

đường khử (chủ yếu

polysaccharide; liên kết bị phân cắt

là maltose)

không theo trật trự nào.
β-Amylase

3.2.1.2

α-1,4-glucoside của mạch tinh bột.

β-maltose và dextrin

các gốc maltose bị tách trình tự từ

phân tử lớn.

đầu không khử của mạch.
Glucoamylase

3.21.3

α-1,4 và α-1,6-glucoside của mạch

Glucose

tinh bột. Các gốc glucose bị tách từ
đầu không khử của mạch.
Amylopectin-1,6glucosidase
Oligo-1,6Glucosidase

3.2.1.9

α-1,6-glucoside trong amylopectin

Một lượng maltose

và β-dextrin.

và maltotriose

3.2.1.10 α-1,6-glucoside của mạch tinh bột.

Glucose, maltose,
maltotriose,

5

Phụ Gia Thực Phẩm
maltotetrase
Dextrin-1,6-

3.2.1.11 α-1,6 –glucose trong dextrin có

glucosidase

Glucose, maltose,

mạch nhánh phụ gắn với liên kết α-

maltotriose,

1,6.

mantotetrase…

2. Tính chất, đặc điểm, điều kiện hoạt động của một số Amylase quan trọng.
2.1. Emzyme α-amylase.
2.1.1. Tính chất
 α-amylase là một emzyme nội phân (endoamylase) vì nó cắt các liên kết α-1,4
glucoside nằm phía bên trong phân tử cơ chất một cách ngẫu nhiên.
 α-amylase dễ tan trong nước, trong các dung môi muối có nồng độ loãng.
 Protein của các α-amylase có tính acid yếu.
 Điểm đẳng điện nằm trong vùng pH từ 4,2-5,7.
 α-amylase từ các nguồn khác nhau có thành phần các acid amin khác nhau. Mỗi
loại α-amylase có một tổ hợp acid amin đặc hiệu riêng song chúng đều khá giàu

tyrozion và tryptophanan.
2.1.2.Đặc điểm:
Quá trình thủy phân tinh bột bởi α-amylase là một quá trình đa giai đoạn. Ở
giai đoạn đầu chỉ một số phân tử cơ chất bị bẻ gãy tạo thành một lượng lớn dextrin phân
tử thấp.Sang giai đoạn 2 các dextrin phân tử thấp vừa được tạo thành bị thủy phân tiếp tục
thành các tetra và tri-mantose không cho màu với iod.Các chất này lại bị thủy phân rất
chậm đến khi tạo thành các di và mono saccharide.

Hình 2.1 : cấu trúc của α-Amylase

6


Phụ Gia Thực Phẩm

α-amylase hầu như không tác dụng lên tinh bột nguyên vẹn và tác dụng mạnh
lên tinh bột đã bị hồ hóa làm cho các sản phẩm hồ hóa bị loãng ra. Chính vì vậy mà αamylase còn là một amylase dịch hóa.
α-amylase tương đối bền dưới tác dụng của nhiệt. Tính bền của α-amylase là do
sự có mặt của ion Ca2+ trong phân tử emzyme, Canxi giữ vai trò ổn định cấu trúc bậc 3
của emzyme.
2.1.3. Các giai đoạn của quá trình thủy phân tinh bột của α-amylase:
 Giai đoạn dextrin hóa:
α-Amylase
Tinh bột

Dextrin phân tử lượng thấp

 Giai đoạn đường hóa:
Dextrin

Tetra và trimaltose

Di, monosaccharide

Amylose

Oligosaccharide

Poliglucose

Maltose

Maltotriose

Maltotetrose

2.1.4. Điều kiện hoạt động.
Bảng 2.1:Các điều kiện hoạt động của enzyme α-amylase

7


Phụ Gia Thực Phẩm
Các halogen có tác dụng vô hoạt đối với α-amylase theo thứ tự Cl-ion Cu2+ và Ag+, đặc biệt là Hg+ có tác dụng vô hoạt rất mạnh đối với tất cả các loại α Amylase.

2.2. β-Amylase
2.2.1. Tính chất
β-Amylase là một Enzyme ngoại bào (exoenzyme). Tiến trình phân giải bắt đầu từ
đầu không khử của các nhánh ngoài cùng cơ chất .

2.2.2.Đặc điểm:
 β-amylase là một albumin, tâm xúc tác có chứa nhóm -SH, nhóm X-COOH
và vòng imidazol của các gốc histidine và là Enzyme ngoại bào (exoenzyme )
 β-Amylase không bền khi có Ca2+, β-amylase bị kiềm hãm bởi Cu2+, Hg2+, urea,
iodineoacetamide, iodine, ozon…
 β-Amylase chịu nhiệt kém hơn α-amylase nhưng bền hơn với acid. βamylase bị bất hoạt ở nhiệt độ 70oC. Nhiệt độ tối thích của β-amylase là 55oC, pH 5,15,5. Tham gia vào cơ chế tác dụng của β-Amylase thường có một nhóm
caboxyl thể hiệntính chất ái nhân và một nhóm imidazol thể hiện tính chất ái
electron. Sự nghịch đảo hình thểcủa cacbon anome (C1) được thực hiện nhờ
việc tạo thành hợp chất đồng hoá trị trung gian kiểu este axetal giữa cacbon
anome và nhóm cacboxyl của tâm hoạt động. Sau đó este này bị phân huỷ bởi
tác động của 1 phân tử nước lên nhóm cacboxyl để giải phóng ra α-maltose và
hoàn nguyên nhóm cacbxyl của Enzyme.

Hình 2.2: Cấu trúc của β_Amylase.

8


Phụ Gia Thực Phẩm
2.2.3. Cơ chế tác dụng.
 Cơ chế tác dụng của β-Amylase lên tinh bột.
β-Amylase
maltose (54-58%) + β-dextrin(42-46%)

Tinh bột

 Các giai đoạn thủy phân tinh bột của β-Amylase:
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%.

β-amylase
Amylose

100% Maltose

Đối với Amylopectin, β-amylase phân cắt các liên kết α-1,4 glucoside nhưng
khi gặp liên kết α-1,4 glucside đứng kế cận liên kết α-1,6 glucoside thì nó sẽ
dừng tác dụng. Sản phẩm tạo thành là:
β-amylase
Amylopectin

(54-58%) Maltose + (42-46%) dextrin phân tử lớn.

2.2.4. Điều kiện hoạt động
Bảng 2.2: Các điều kiện hoạt động của enzyme β-amylase
Nguồn gốc
Enzyme
Đại mạch
Lúa mì
Đỗ tương
Khoai lang
B.cerus
B.polymyxa
B.megaterium

pHopt

Topt

5,2

5,2-5,6
5,4
5,0-6,0
7,0
7,5
6,5

55
55
50-55
40
40
40-65

Phân tử lƣợng
(kD)
56
64,2
57
50
58
42
58

2.3. Emzyme glucoamylase.
2.3.1. Tính chất
Là một emzyme ngoại phân (exoemzyme), nó thủy phân liên kết α-1,4glucoside và α-1,6-glucoside trong polysaccharide từ đầu không khử của mạch tạo ra
glucose.

9

Phụ Gia Thực Phẩm
Đa số glucoamylase được biết đều thuộc loại protein acid. Nó thể hiện hoạt tính
acid tối đa ở pH 3,5 – 5,5. So với α-amylase, glucoamylase bền với acid hơn, nhưng lại
kém bền dưới tác dụng của rượu ethylic, aceton.
Glucoamylase có khả năng thủy phân hoàn toàn tinh bột và glucogen thành
glucose.
2.3.2. Cơ chế tác dụng.
Amyloglucosidase có thể giải phóng ra β-D-glucose bằng cách thủy phân nhiều lần
liên kết α-1,4 của mạch α-glucan từ đầu không khử, chúng cũng thủy phân được các liên
kết α-1,6 và α-1,3 nhưng rất chậm (10-30 lần). Tốc độ thủy phân cũng phụ thuộc vào bản
chất của các liên kết kề cận các liên kết glucozit được thủy phân, cũng như kích thước và
cấu trúc của cơ chất bị thủy phân.Nhất là với các α-glucan mạch dài (amylase và
amylopectin) thì bị thủy phân nhanh hơn là với các maltodextrin và các oligosaccharit.
2.3.3. Điều kiện hoạt động.
 pH:
o Đa số các glucoamylase của vi sinh vật và của mô động vật đều có pH
hoạt động ở vùng acid, chẳng hạn như: glucoamylase của A.niger có pH
tối ưu là 3,5.
o pH hoạt động tối ưu của glucoamylase còn thay đổi theo nhiệt độ và thời
gian tác dụng. R. delamar có hoạt lực cao nhất ở pH 4,7-5,0 và nhiệt độ
55-600C. Nhưng khi giảm nhiệt độ xuống 400C thì pH tối ưu là 4,5.
 Nhiệt độ:
o Nhiệt độ hoạt động tối ưu của glucoamylase loại bền acid là 500C. Hầu
hết glucoamylase bị mất hoạt tính khi đun nóng trên 700C
2.4. Emzyme glucoisomerase
2.4.1 Nguồn gốc
Sự phát triển thành công của sản phẩm si-rô fructose nằm trong sự phát hiện
của enzyme glucose – isomerizing. Trong lịch sử có 4 loại enzyme khác nhau đã được gọi

là glucose isomerases. Các khám phá của Marsall và Kooi năm 1957 về khả năng của
glucose – isomerizing từ Pseudomonas hydrophila là điểm khởi đầu của việc khai thác
enzyme này để sản xuất HFCS như một sự thay thế cho đường mía. Sự sản xuất enzyme

10


Phụ Gia Thực Phẩm
xylose là cần thiết trong môi trường phát triển và được tăng cường trong sự phát triển với
sự có mặt của arsenate.
Sau đó, một xylose isomerase hoạt động, mà sự hoạt động đó độc lập với xylose,
đã được tìm thấy trong Escherichia Intermedia.Các enzyme là một phosphor glucose
isomerase (EC 5.3.1.9), mà có thể isomerase không phải phosphoryl hóa đường duy nhất
trong sự hiện diện của arsenate.Takasaki và Tanable đã phân lập từ Bacillus megaterium
AI một glucose isomerase (EC 5.3.1.18) mà NAD liên kết và cụ thể với glucose.Một
glucose isomerase tương tự hoạt động, xúc tác đồng phân của cả hai đường glucose và
mannose với fructose, được phân lập từ Paracolobacterium aerogenoides.
Glucose isomerase được sản xuất bởi vi khuẩn acid heterolactic yêu cầu xylose
như một chất cảm ứng và tương đối ổn định ở nhiệt độ cao hơn. Trong số này các hoạt
động glucose – isomerizing, xylose isomerase (EC 5.3.1.5) là phù hợp nhiều nhất cho các
hoạt động thương mại.đó là nhiệt độ ổn định và không yêu cầu cofactor đắt tiền như NAD
hoặc ATP cho hoạt động. Enzyme glucose isomerase lần đầu tiên được thực hiện trong
quy mô công nghiệp năm 1967 bởi Clinton.Nhu cầu HFCS cho thực phẩm ngày càng tăng
và đến năm 1980 thực tế tất cả các công ty chế biến tinh bột lớn trong thế giới phương
Tây đã phải dùng đến công nghệ GI.Ngày nay, enzyme là thị trường lớn nhất trong ngành
công nghiệp thực phẩm.
2.4.1. Đặc tính của glucose isomerase
Các enzyme và các tính chất hóa lý của GI từ một số sinh vật đã được nghiên cứu
rộng rãi. Kiến thức rõ ràng các đặc tính của enzyme, như sự ổn định của nó, cơ chất đặc
trưng và yêu cầu ion kimloại là quan trọng để ngăn chặn sự bất hoạt của nó và để đánh giá

sự phù hợp cho việc ứng dụng trong sản xuất HFCS.
2.4.2. Cơ chất đặc trƣng
Khả năng của các enzyme đồng phân hóa trên các cơ chất đa dạng như pentose,
hexoses, sugar alcohols, và đường phosphates đã được nghiên cứu. Mặt dù cơ chất đặc
trưng của enzyme từ nhiều nguồn thay đổi khác nhau, các enzyme có thể sử dụng D –
ribose, L – arabinose, L – rhamnose, D – allose, và 2 – deoxyglucose, cũng như cơ chất

11


Phụ Gia Thực Phẩm
phổ biến nhất là D – glucose và D – xylose. Đồng phân tối đa được thu với chất nền có
các nhóm hydroxyl tại cacbon số 3 và 4 trong vị trí như việc chuyển đổi tỷ lệ của D glucose đến D – fructose xúc tác bởi GI từ những sinh vật khác nhau ở dạng hòa tan hoặc
bất động trong khoảng 26 – 59%. Giá trị Km của enzyme cho D – glucose và D – xylose
trong phạm vi từ 0.086 đến 0.920M, và 0.005 đến 0.093M.

2.4.3. Yêu cầu ion kim loại và các chất đặc trƣng
GI yêu cầu một cation hóa trị II như Mg2+, Co2+, hoặc Mn2+, hoặc một sự kết
hợp của các ion này cho hoạt động tối đa. Mặt dù cả Mg2+ và Co2+ là rất cần thiết cho hoạt
động nhưng khác nhau về vai trò. Trong khi Mg2+ tốt hơn Co2+ như một chất hoạt hóa,
Co2+ chịu trách nhiệm cho sự ổn định của enzyme bởi giữ được sự sắp xếp về cấu tạo, đặc
biệt là các cấu trúc bậc bốn của enzyme. Ion kim loại liên kết trực tiếp đã được nghiên
cứu bởi Danno trên GI từ Bacillus coagulans. Kasumi et al. đã báo cáo sự hiện diện của
bốn ion Co2+ của GI từ Streptomyces griseofuscus. Các hoạt động xúc tác của GI đã được
ức chế bởi các kim loại như Ag2+, Hg2+, Cu2+, Zn2+ và Ni2+, tuy nhiên Ca2+làm tăng mức
độ hoạt động. Chất ức chế khác được biết đến của GI là xylitol, arabitol, Sorbitol,
mannitol, lyxose, và Tris.
2.4.4. Nhiệt độ và pH tối ƣu
Nhiệt độ tối ưu của GI là từ 60 – 800C và gia tăng trong sự có mặt của Co2+. Giá trị
pH tối ưu là giữa pH 7.0 và 9.0. Enzyme từ Lactobacillus Brevis có pH tối ưu thấp hơn (6

– 7), đó là mong muốn cho các ứng dụng thương mại của GI. Các enzyme từ
Streptomycesspp,

Bacillus

spp,

Actinoplanes

mis-souriensis,

và

Thermus

thermosulfurogenes ổn định ở mức nhiệt độ cao, GI từ Lactobacillus và Escherichia spp.
ít ổn định hơn .
2.4.2 Cơ chế hoạt động của glucose isomarase
Mặc dù tầm GI có tầm quan trọng trong thương mại nhưng có rất ít thông
tinsẵn có về các tính chất cấu trúc và cơ chế của nó. Các cơ chế xúc tác của GI đã

12


Phụ Gia Thực Phẩm
là một chủ đề lớn được các nhà nghiên cứu quan tâm. Trước đó, GI đã được giả
định là chức năng tương tự như đường phosphate isomerases và làm theo cơ chế
enediol (hình dưới)

Các nghiên cứu gần đây do hoạt động của GI đến hydride như một cơ chế chuyển đổi.

Kiến thức về cấu hình hoạt động là điều kiện tiên quyết cho việc nghiên cứu
mối quan hệ về cấu trúc và chức năng của enzyme. Các phương pháp tiếp cận khác
nhau đã được nghiên cứu về phạm vi hoạt động của GI và để phân định cơ chế
hoạt động của nó. Chúng bao gồm thay đổi hóa học, tinh thể lọc tia X và chuyển
đổi đồng vị. Các tính năng chính của cơ chế đã đề xuất cho GI là mở rộng cơ chất,
đồng phân hóa thông qua một hydride chuyển đổi từ C-2 sang C-1, và kết thúc một
vòng sản phẩm.
2.4.3 Sự chuyển đổi đồng phân hóa học của glucose isomerase
Sự thay đổi hóa học của phần dư acid amin với cụ thể là thuốc thử hóa học
như một phương pháp đơn giản của việc khảo sát phạm vi hoạt động của enzyme.
Sự tham gia có thể có của histidine trong phạm vi hoạt động của GI đã được mặc
nhiên công nhận bằng cách nghiên cứu tác động của diethylpyrocarbonate lên sự
ngừng hoạt động của GI.

13


Phụ Gia Thực Phẩm
Sau đó, bằng chứng cho sự có mặt của một lượng dư histidine cần thiết cho
phạm vi hoạt động của GI từ nhau Lactobacillus spp và Streptomyces spp khác
nhau đã được cung cấp. Sự ức chế bởi diethylpyrocarbonate đã được khắc phục
bằng hydroxylamine.
Tóm lại, sự bảo vệ hoạt động của enzyme là khả năng của cơ chất và cơ chất
tương tự xylitol trong suốt quá trình thay đổi hóa học.Histidine được biết đến chức
năng như một cơ sở tóm tắt proton và hỗ trợ chuyển đổi hydro.

Sự có mặt của một lượng dư aspartate hoặc glutamate trong GI là tài liệu bằng
cách bất hoạt bởi thuốc thử K Woodward’s hoặc guanidine hydrochloride. Sự tham gia
của lượng dư carboxylate kéo theo các ràng buộc của các cofactor ion kim loại. Hóa chất

sửa đổi, bảo vệ hay không bảo vệ GI và tiếp theo peptide lập bản đồ cho phép xác định
với một chuỗi sự đồng thuận bao gồm Phe – His – Xaa – Asp – Xaa – Xaa – Pro – Xaa –
Gly. Kết qủa nghiên cứu về thay đổi hóa học của GI bổ sung cho các kết luận rút ra trân
cở sở nghiên cứu các tinh thể lọc X – Ray
II.

TỔNG QUAN VỀ TINH BỘT.
1. Tính chất của tinh bột sắn.
Sắn (Manihot Esculenta Crantz) là một trong những loại cây hoa màu được
trồng ở hơn 80 quốc gia có khí hậu nhiệt đới ẩm. Trên thế giới sản lượng sắn hằng
năm đạt khoảng 175 triệu tấn với diện tích canh tác khoảng 14,15 triệu ha.Ở các
nước nhiệt đới tinh bột sắn hầu hết được sản xuất ra sử dụng làm thức ăn cho
người, gia súc và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác.

14


Phụ Gia Thực Phẩm

Hình9: cây sắn và củ sắn tại việt nam
Tinh bột sắn có màu trắng. Trong quá trình sản xuất nếu củ được nghiền mà
chưa bóc vỏ, tinh bột thu được sẽ có màu tối. Màu sắc của tinh bột ảnh hưởng
nhiều đến chất lượng cũng như giá cả của sản phẩm.Củ sắn và tinh bột sắn có pH
khoảng 6.0-6.3.

(1) tinh bột sắn

(2) Cấu trúc của tinh hột

Hình 10: tinh bột sắn

Tinh bột sắn có hàm lượng amylopectin và phân tử lượng trung bình tương đối
cao, 215000g/mol so với amylopectin của bắp là 30500, của tinh bột lúa mì là
130000 và của tinh bột khoai tây là 224000, của tinh bột bắp sáp là 276000. Hàm

15


Phụ Gia Thực Phẩm
lượng amylose nằm trong khoảng 8-29%, nhưng nói chung đa số tinh bột sắn có tỷ
lệ amylose 16-18%. Trong một số loại tinh bột thì hàm lượng amylopectin trong
tinh bột sắn là cao nhất, cụ thể: amylopectin của tinh bột sắn là 75.64%, trong khi
đó amylopctin của tinh bột sắn dây là 74.72%, của tinh bột huỳnh tinh là 67.48%.
Ngược lại hàm lượng amylose của tinh bột sắn là thấp nhất chiếm 24.36%, tinh bột
sắn dây 25.28%, amyloze của tinh bột huỳnh tinh cao nhất chiếm 32.52%.

Hình 11: cấu trúc phân nhánh của amylopectin (Martin và Smith, 1995)
Tinh bột sắn có khả năng hồ hoá sớm, độ nhớt cao thể hiện lực liênkết yếu
giữa các phân tử tinh bột trong cấc trúc hạt. Xử lý hoá học và lý học (gia nhiệt, xử
lý áp suất hơi, thêm các chất hoá học, thay đổi pH môi trường) cũng như sự có mặt
của các chất protein, chất béo, chất có hoạt tính bề mặt đều có ảnh hưởng đến độ
nhớt tinh bột sắn.
2. Ứng dụng của tinh bột sắn trong công nghiệp sản xuất thực phẩm.
Một số thực phẩm có được nhiều người tiêu dung chấp nhận hay không phụ
thuộc rất nhiều vào cấu trúc của nó và tinh bột đóng vai trò quan trọng trong việc
tạo cấu trúc (texture) cho nhiều loại thực phẩm. chức năng của tinh bột thay đổi
trong các sản phẩm khác nhau và danh sách các sản phẩm trong đó tinh bột được sử
dụng là rất lớn. Tinh bột là nguồn năng lượng rẻ tiền, là thành phần chính, là chất

16

Phụ Gia Thực Phẩm
tạo độ đặc, độ chắc cho nhiều lạo sản phẩm. Nó có thể được sử dụng ở dạng tự do
hoặc đã hồ hóa.
Vai trò, chức năng của tinh bột trong các sản phẩm thực phẩm cũng rất đa
dạng.Tinh bột là chất kết dính trong các sản phẩm thịt chế biến và thực phẩm ép
đùn.Tinh bột tạo tạo độ đúc cho bánh dạng nhân kem, là chất làm bền bọt cho các
loại kẹo dẻo và soda, là chất tạo gel trong các loại kẹo gum và thực phẩm mềm
dẻo.Tinh bột cũng là tác nhân tạo hình trong các sản phẩm thịt, là chất ổn định cho
các sản phẩm đồ uống...

(
1
)
Bánh quy

(2) Bánh mì
Hình12: Ứng dụng của tinh bột trong sản xuất bánh

17


Phụ Gia Thực Phẩm

PHẦN B: ỨNG DỤNG CỦA AMYLASE VÀO SẢN XUẤT ĐƢỜNG TỪ TINH
BỘT SẮN
I.
QUY TRÌNH TỔNG QUAN CHUNG.
Nhiệt độ

Tinh bột

α-Amylae

Hồ hóa

Glucoamylasee

Dịch hóa

Làm sạch

Glucoisomerase

Đường hóa

Tẩy màu

Lọc
Cô đặc
Sấy

Isomer hóa

HFS

Trao đổi ion

Trao đổi cation

Bay hơi

Tinh thể hóa
Fructose

Kết tinh

Đường
maltodextrin

Ly tâm
Lọc or ly tâm
Sấy, nghiền

Fructose

18


Phụ Gia Thực Phẩm

II.

QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT.
Có 3 giai đoạn trong quá trình thủy phân tinh bột: hồ hóa, dịch hóa và
đường hóa. Quá trình hồ hóa là quá trình các hạt trương nở kèm theo sự giải phóng
các các sợi amylose và amylopectin dưới tác dụng xúc tác của -amylase. Trong
quá trình hồ hóa, độ nhớt dịch tăng dần và khi quá trình kết thúc độ nhớt dịch sẽ
đạt giá trị cực đại. Sau đó các sợi amylose và amylopectin tiếp tục được giải phóng
trong quá trình dịch hóa và sau đó sẽ bị cắt ngắn tạo thành các dextrin phân tử

lượng nhỏ. Kết quả độ nhớt của dịch giảm xuống. Quá trình đường hóa là quá trình
cắt ngắn các phân tử dextrin phân tử lượng nhỏ để tạo ra sản phẩm là các loại
đường đơn giản như glucose, maltose…dưới tác dụng xúc tác của enzyme
glucoamylase. Độ nhớt của dịch khi này được xem là có giá trị thấp nhất.

Hình13: Mô hình mô phỏng hình thái hạt tinh bột trong quá trình thủy
phânvà sự biến đổiđộ nhớt.
19


Phụ Gia Thực Phẩm
Đầu tiên tinh bột sẽ được trộn với nước theo tỉ lệ 30-40% (w/w) ở pH 6.06.5, 20-80 ppm Ca2+(ổn định và hoạt hóa hoạt tính của enzyme-amylase). Sau đó
α -amylase được bổ sung vào để thực hiện quá trình hồ hóa.Khi đó môi trường phải
ở điều kiện thích hợp cho enzyme xúc tác. Thời gian lưu trong jet cooker rất ngắn,
một phần tinh bột đã hồ hóa sẽ được đưa qua hệ thống ống duy trì nhiệt độ 1001050C trong khoảng 5 phút để quá trình hồ hóa xảy ra hoàn toàn. Sau đó quá trình
thủy phân tiếp tục với quá trình dịch hóa trong thùng chứa ở nhiệt độ 90-1000C và
kết thúc sau 1 – 2 giờ. Cuối cùng nhiệt độ sẽ được hạ về 550C để thực hiện tiếp quá
trình đường hóa, quá trình này sẽ kéo dài cho đến lúc dịch thủy phân đạt đến DE
cuối theo yêu cầu. Tinh bột sau quá trình dịch hóa thường được đưa qua quá trình
đường hóa nhưng một phần nhỏ có thể được sấy phun để tạo thành maltodextrin.
Trong trường hợp này thì chúng ta phải ức chế enzyme bằng cách giảm pH (xuống
giá trị thấp hơn giá trị tối thích của enzyme) khi kết thúc quá trình xử lý nhiệt.

1. Quá trình hồ hóa tinh bột.
Hạt tinh bột không tan trong nước lạnh nhưng có xu hướng trương nở trong
nước phụ thuộc vào kiểu và thành phần cấu tạo trong hạt tinh bột. Tại nhiệt độ
thường và pH trong khoảng 4 – 10, hạt tinh bột tự nhiên không tan mà chỉ hấp thụ
nước khoảng 30% khối lượng của nó. Hỗn hợp thu được gọi là huyền phù tinh bột.
Thật ra, ở nhiệt độ này, một số phân tử nước đã chui được vào bên trong cấu trúc
của hạt tinh bột nhưng với số lượng không nhiều. Nước hấp thụ vào và làm hạt

trương nở khoảng 5% thể tích.
Dưới nhiệt độ hồ hóa, xảy ra quá trình hút nước và trương nở thuận nghịch.
Khi được đun nóng, nhiệt năng cung cấp sẽ phá vỡ hàng loạt liên kết hydro ràng
buộc các phân tử nước, giúp các phân tử nước này trở nên linh động hơn, dễ dàng
tấn công vào cấu trúc micelle của hạt tinh bột, dẫn đến xảy ra quá trình hydrat hóa.
Khi đó các phân tử nước sẽ chuyển động nhanh hơn và có nhiều phân tử khuếch
tán vào bên trong của hạt tinh bột. Do đó, hạt tinh bột sẽ trương nở đáng kể, tăng

20


Phụ Gia Thực Phẩm
thể tích và kích thước. Dưới tác dụng của nhiệt, một số phân tử amylose và và
amylopectin phân tử lượng nhỏ sẽ khuếch tán vào môi trường xung quanh. Các
phân tử tinh bột này sẽ bị hydrate hóa tạo thành các micelle nhỏ. Các micelle này
và các hạt tinh bột đã trương nở sẽ kết hợp lại với nhau bằng liên kết hydro, hình
thành các liên kết ba chiều mới, làm độ nhớt tăng lên.
Khi nhiệt độ tăng, đường kính hạt tăng đến khi lớp ngoài của hạt bị phá vỡ,
lúc này hỗn hợp đạt đỉnh nhớt. Sự gia tăng độ nhớt cuối của mẫu hồ hóa đã gia
nhiệt được cho là giải phóng các sợi (chủ yếu là amylose) và đoạn nhánh (sự biến
dạng) của hạt tinh bột đã trương nở. Do đó, hồ tinh bột là một dung dịch bao gồm
các hạt đã trương nở lơ lửng trong nước nóng, các phân tử amylose cũng bị phân
tán trong này. Những tác động qua lại trong dung dịch khi này liên quan đến liên
kết hydro nội phân tử giữa các hạt tinh bột với nhau và giữa các hạt tinh bột với
nước(Tako và Hizukuri, 1999).

Hình14: quá trình hố hóa của hạt tinh bột

21

Phụ Gia Thực Phẩm
Tóm lại quá trình hồ hóa được định nghĩa là sự đứt gãy không thuận nghịch
trong cấu trúc các phân tử hạt tinh bột khi được gia nhiệt với lượng nước lấy dư
(Sivak và Preiss, 1998). Do đó xảy ra các hiện tượng là chuyển từ huyền phù sang
dạng dung dịch keo, và từ dạng dung dịch keo chuyển sang dạng gel (Gomi và
cộng sự, 1998; Chatakanonda và cộng sự, 2000) cũng như sự phá hủy cấu trúc liên
kết trong mạng (Hsu và cộng sự, 2000). Vùng được hồ hóa đầu tiên là các vùng vô
định hình, tại đó liên kết hydro yếu hơn những vùng có cấu trúc tinh thể, do vậy
liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột ở vùng đó dễ bị phân hủy, giúp cho hiện
tượng hydrat hóa dễ dàng hơn. Mặt khác, nhiệt độ cao cũng phá hủy các liên kết
hydro giữa các phân tử tinh bột, giúp các phân tử nước dễ dàng hydrat hóa. Trong
quá trình hồ hóa, một số phân tử tinh bột bị hydrat hóa mạnh mẽ sẽ tách khỏi mạng
lưới micelle, khuếch tán vào môi trường nước gây nên hiện tượng hòa tan tinh bột
vào nước nóng.
Như vậy nhiệt độ hồ hóa và khả năng hồ hóa của một loại tinh bột nào đó sẽ
phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc của mạng lưới micelle trong hạt tinh bột, cấu trúc
này được đặc trưng bởi hình dáng, kích thước phân tử, khối lượng phân tử, tỉ lệ
giữa amylose và amylopectin, mức độ phân nhánh và chiều dài của nhánh
amylopectin. Ngoài ra nhiệt độ hồ hóa còn phụ thuộc vào tính chất lý hóa của chất
khuếch tán và môi trường khuếch tán. Biliaderis và Tonogai (1991) nghiên cứu
những ảnh hưởng khi các hạt tinh bột liên kết với lipid vào những đặc tính nhiệt,
nhớt, dẻo của gel tinh bột và nhận thấy việc thêm các lysophospholipid làm giảm
enthalpy hồ hóa của tinh bột cùng với sự gia tăng về nhiệt độ tại điểm chuyển đổi
amylose – lipid xảy ra. Nguyên nhân là do các lipid tạo phức với amylose trên bề
mặt hạt do đó ngăn cản sự xâm nhập các phân tử nước và hạt tinh bột làm hạn chế
quá trình trương nở của hạt.
Garcia, V. và cộng sự (1997) đã nghiên cứu những thay đổi về cấu trúc của hạt
tinh bột sau khi gia nhiệt trong nước với hàm lượng nước khác nhau. Hình ảnh
hiển vi quang học cho thấy hạt khi bị gia nhiệt dưới nhiệt độ bắt đầu hấp thu nhiệt

(To) không làm ảnh hưởng đến hạt. Sau khi gia nhiệt đến các nhiệt độ khác nhau,
22


Phụ Gia Thực Phẩm
hình ảnh hiển vi quang học cho thấy, tương ứng với hàm lượng nước khác nhau
trong suốt quá trình, có 4 hình thái riêng biệt trong tập hợp hạt: hạt nguyên, hạt bị
mất một phần tính lưỡng chiết, hạt không có tính lưỡng chiết nhưng còn dạng hình
cầu và hạt không còn nguyên vẹn. Sự thay đổi càng rõ ràng khi thực hiện quá trình
gia nhiệt với hàm lượng nước và nhiệt độ cao hơn.
]

Hình 15: Biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ

a. Mục đích công nghệ:
Chuẩn bị: Chuẩn bị cho quá trình dịch hóa, các hạt tinh bột hút nước và
trương nở tối đa tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình dịch hóa.
b. Các biến đổi:
 Biến đổi vật lý:

23


Phụ Gia Thực Phẩm
 Độ nhớt tăng cực đại
 Hạt tinh bột trương nở tối đa
 Nhiệt độ của dung dịch tăng
 Nồng độ chất khô tăng
 Biến đổi hóa học:
 Xảy ra sự hydrate hóa các nhóm hydroxyl tự do và hình thành liên kết hydro

với nước.
 Biến đổi hóa lý:
 Hạt tinh bột tiếp tục hấp thu nước, khi nhiệt độ càng tăng thì khả năng hút
nước càng tăng, lên đến 2500% nước.
 Hệ chuyển từ dạng huyền phù sang dung dịch nhớt đồng nhất.
 Tăng khả năng hòa tan
 Biến đổi cảm quan: màu sắc từ đục chuyển sang trong hơn.

Hình 16 : Thiết bị Henze Cooker
2. Quá trình dịch hóa tinh bột.
Sau giai đoạn hồ hóa hạt tinh bột trương nở nhưng vẫn còn nguyên vẹn.Khi
ta tiếp tục gia nhiệt hỗn hợp, sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử tinh bột

24


Phụ Gia Thực Phẩm
trong hỗn hợp dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ làm cho liên kết giữa các phân tử tinh
bột với nhau, giữa tinh bột với nước trở nên lỏng lẻo. Kết quả là các phân tử
amylose và amylopectin được giải phóng từ dạng “liên kết” trong cấu trúc hạt tinh
bột sang dạng “tự do”. Quá trình này được gọi là quá trình dịch hóa.
a. Mục đích công nghệ:
Chuẩn bị: Chuẩn bị cho quá trình đường hóa
b. Các biến đổi:
 Biến đổi vật lý:
 Độ nhớt giảm
 Khả năng truyền nhiệt tăng (do kích thước phân tử nhỏ hơn)
 Nồng độ chất khô tăng
 Biến đổi hóa học:
 Hạt tinh bột bị phá tung, phá vỡ các liên kết hydro giữa nước và các sợi tinh

bột
 Phản ứng Maillard giữa đường và acid amine tạo ra sản phẩm có màu
 Thủy phân một phần tinh bột tạo những mạch dextrin có chiều dài mạch
ngắn hơn.
 Biến đổi hóa lý:
 Sự bốc hơi nước
 Khả năng hòa tan của tinh bột tăng
 Biến đổi hóa sinh:
 Enzym α-amylase hoạt động cắt các mạch amylose và amylopectin
thành các dextrin mạch ngắn có khả năng hòa tan .
 Biến đổi sinh học:
 Vi sinh vật bị ức chế hoặc tiêu diệt
c. Các thông số công nghệ:
 Nhiệt độ: 105oC

25