Tài liệu Nghiên cứu công nghệ sản xuất polymaltose từ tinh bột sắn bằng enzyme để ứng dụng tạo phức hợp sắt polymaltose (ipc)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN HOÀNG PHI “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYMALTOSE TỪ TINH BỘT SẮN BẰNG ENZYME ĐỂ ỨNG DỤNG TẠO PHỨC HỢP SẮT-POLYMALTOSE (IPC)” LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC HÀ NỘI, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN HOÀNG PHI “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYMALTOSE TỪ TINH BỘT SẮN BẰNG ENZYME ĐỂ ỨNG DỤNG TẠO PHỨC HỢP SẮT-POLYMALTOSE (IPC)” LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÃ SỐ: 60420201 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LÊ ĐỨC MẠNH TS. NGUYỄN VĂN GIANG HÀ NỘI, 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận văn Nguyễn Hoàng Phi Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ Bộ môn Công nghệ đường bột - Viện Công nghiệp thực phẩm cùng toàn thể Thầy cô khoa Công nghệ sinh học - Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã chỉ bảo tận tình giúp tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Đức Mạnh - Viện Trưởng Viện công nghệ thực phẩm và TS Nguyễn Văn Giang - Bộ môn Vi sinh Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt cho tôi những kinh nghiệm về chuyên môn và luôn giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Cuối cùng, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và bạn bè đã luôn động viện, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình. Xin chân thành cảm ơn! Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................. iii DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. vii DANH MỤC HÌNH ............................................................................................. viii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 3 1.1. Polymaltose – nguyên liệu để sản xuất phức sắt-polymaltose....................... 3 1.1.1. Giới thiệu về polymaltose ........................................................................... 3 1.1.2. Ứng dụng của polymaltose ......................................................................... 4 1.1.2.1. Ứng dụng trong dược phẩm.................................................................. 4 1.1.2.2. Ứng dụng trong thực phẩm................................................................... 6 1.2. Quá trình sản xuất polymaltose ..................................................................... 6 1.2.1. Quá trình dịch hoá tinh bột bằng enzyme - amylase ................................. 7 1.2.1.1. Giới thiệu enzyme α- amylase và nguồn sinh tổng hợp ......................... 7 1.2.1.2. Cơ chế thủy phân tinh bột của α- amylase ........................................... 8 1.2.1.4 Giới thiệu một số enzyme dịch hóa ..................................................... 11 1.2.2. Quá trình đường hóa tạo polymaltose bằng enzyme pullulanase ................... 12 1.2.2.1. Giới thiệu enzyme pullulanase ............................................................ 12 1.3.2.2. Giới thiệu chế phẩm enzyme thương mại Promozyme D2. .................. 15 1.3.2.3 Giới thiệu chế phẩm enzyme Pullulanase “Amano” 3. ......................... 15 1.3.2.4 Giới thiệu chế phẩm enzyme Kleistase PL........................................... 16 1.3 Tinh bột- nguyên liệu để sản xuất polymaltose .............................................16 1.3.1 Giới thiệu về tinh bột ................................................................................. 16 1.4.2. Tinh bột sắn.............................................................................................. 19 1.4. Quá trình thu hồi sản phẩm ..........................................................................21 1.4.1. Quá trình làm sạch dịch bằng than hoạt tính ............................................. 21 1.4.2. Thu hồi sản phẩm polymaltose bằng phương pháp sấy phun..................... 23 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 3 1.5 Mô hình sơ đồ công nghệ sản xuất polymaltose từ tinh bột sắn .................25 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............26 2.1. Nguyên liệu, hóa chất.....................................................................................26 2.1.1. Nguyên liệu .............................................................................................. 26 2.1.2. Hóa chất ................................................................................................... 26 2.1.3. Thiết bị ..................................................................................................... 26 2.2. Phương pháp ..................................................................................................27 2.2.1. Phương pháp phân tích ............................................................................. 27 2.2.1.1. Xác định nồng độ chất khô bằng chiết quang kế. ................................ 27 2.2.1.2. Xác định pH bằng máy đo pH............................................................. 27 2.2.1.3. Xác định nồng độ dịch bột bằng brome kế .......................................... 27 2.2.1.4. Xác định độ nhớt của dịch thủy phân.................................................. 27 2.2.1.5. Xác định độ ẩm của tinh bột sắn......................................................... 27 2.2.1.6. Phương pháp xác định hàm lượng tinh bột ......................................... 28 2.2.1.7. Xác định DE theo phương pháp phân tích Lane- Eynon ..................... 29 2.2.1.8. Xác định một số đường glucose, maltose, maltotriase bằng phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC).......................................................... 30 2.2.2. Phương pháp công nghệ ........................................................................... 31 2.2.2.1. Nghiên cứu các điều kiện thích hợp cho dịch hóa tinh bột .................. 31 2.2.2.2. Nghiên cứu các điều kiện thích hợp của quá trình đường hóa ............ 31 2.2.2.3. Hoàn thiện phương pháp làm sạch dịch đường polymaltose và thu hồi sản phẩm dạng bột bằng phương pháp sấy phun. ...................................... 31 2.2.3. Phương pháp đánh giá cảm quan .............................................................. 31 2.2.4. Phương pháp sử dụng enzyme .................................................................. 32 2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu ......................................................................... 32 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................33 3.1. Nghiên cứu các điều kiện dịch hóa tinh bột để làm nguyên liệu phù hợp cho quá trình đường hóa tạo polymaltose. ..........................................................33 3.1.1. Lựa chọn enzyme dịch hóa thích hợp cho quá trình sản xuất polymaltose. .... 33 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 4 3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ thủy phân tinh bột trong quá trình dịch hóa đến quá trình đường hóa tạo polymaltose DE 25 .................... 34 3.1.3. Xác định nồng độ enzyme thích hợp trong quá trình dịch hóa đạt DE 6 .... 36 3.1.4 Ảnh hưởng của nồng độ dịch bột đến quá trình dịch hóa tạo DE 6............. 37 3.1.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian thủy phân tới quá trình dịch hóa tinh bột sắn tạo dịch có DE 6.............................................................................. 38 3.1.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân tới quá trình dịch hóa .......................... 39 3.1.7 Xác định ảnh hưởng của pH tới quá trình dịch hóa .................................... 40 3.2. Nghiên cứu các điều kiện đường hóa thích hợp để tạo polymaltose ...........41 3.2.2 Xác định nồng độ enzyme promozyme D2 thích hợp trong quá trình đường hóa. .. 42 3.2.3. Xác định nồng độ cơ chất thích hợp cho quá trình đường hoá ................... 43 3.2.4. Nghiên cứu điều kiện pH thích hợp cho quá trình đường hoá................... 45 3.2.5. Xác định nhiệt độ thích hợp cho quá trình đường hoá ............................... 47 3.2.6. Xác định thời gian thích hợp cho quá trình đường hoá.............................. 48 3.3. Nghiên cứu điều kiện làm sạch và thu hồi sản phẩm polymaltose dạng bột ...50 3.3.1. Nghiên cứu làm sạch dịch bằng than hoạt tính .......................................... 50 3.3.2. Nghiên cứu điều kiện thu hồi sản phẩm polymaltose DE 25 dạng bột bằng phương pháp sấy phun ............................................................................... 51 3.3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy phun tới chất lượng sản phẩm. ............... 51 3.3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất khô đến quá trình sấy phun tạo sản phẩm dạng bột. ................................................................................... 52 3.4. Kết quả phân tích chất lượng polymaltose ...................................................54 3.5. Xây dựng qui trình công nghệ sản xuất polymaltose de 25 .........................54 3.5.1. Sơ đồ Quy trình công nghệ sản xuất polymaltose DE 25 từ tinh bột sắn. . 54 3.5.2. Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ.................................................... 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................57 TÀI LIỆU THAM KHẢO. .....................................................................................59 PHỤ LỤC...............................................................................................................66 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Arg Arginine ACN Acetonitrile cP (CentiPoise) Đơn vị đo độ nhớt Da (Dalton) Đơn vị trọng lượng phân tử DE (Dextrose Equivalent) Số đương lượng đường khử quy ra glucose EDTA HPLC (High performance Ethylenediaminetetraacetic acid Sắc kí lỏng hiệu năng cao liquid chromatography) IPC Iron Polymaltose Complex KNU/g Đơn vị đo hoạt lực enzyme TB Tinh bột Trp Tryptophan Tyr Tyrosine Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 6 DANH MỤC BẢNG B ản B ản B ản g B ản B ản B ản B ản B ản B ản B ản g Bả ng Bả ng Bả ng Bả ng Bả ng Bả nh Bả ng Bả ng M ột Ả nh Ả n h Ả nh Ả nh Ả nh Ả nh Ả nh Ả nh Ả nh h Ả nh X ác Ả nh Ả nh Ả nh Ả nh Ả nh K ết 1 4 3 3 3 4 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 4 2 4 3 4 4 4 5 4 7 4 9 5 1 5 2 5 3 5 4 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page vii DANH MỤC HÌNH Hì nh Hì nh Hì nh Hì nh Hì nh Hì nh Hì nh 3.1 P ol C ấ C ấ D iệ K h M ô S ơ 3 1 7 1 8 2 0 2 2 2 5 5 5 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page viii MỞ ĐẦU Thiếu máu do thiếu sắt là một bệnh phổ biến tại Việt Nam và trên thế giới, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của khoảng 800 triệu người trên toàn cầu. Thiếu máu do thiếu sắt làm ảnh hưởng đến các chức năng như hệ thống miễn dịch, hệ thống thần kinh, làm giảm khả năng miễn dịch, giảm hoạt động thể chất và suy giảm nhận thức. Để điều trị thiếu máu do thiếu sắt, hàng ngày người ta sử dụng thuốc hoặc thực phẩm giàu sắt. Tuy nhiên, hiện nay, các loại thuốc bổ sung sắt có mặt trên thị trường chủ yếu chứa sắt tồn tại ở trạng thái ion, khi sử dụng với liều lượng cao dễ gây ra các tác dụng phụ có hại. Việc ổn định các nhân sắt không ion bằng các tác nhân tạo phức tan đang rất được quan tâm. Trong những sản phẩm hỗ trợ bệnh này, loại phức sắt đang được thế giới đánh giá cao là phức hợp sắt- polymaltose (IPC) do nó có khả năng được hấp thu tốt, độ an toàn cao và cho kết quả rất tốt. Ở Việt Nam, sắt- polymaltose (IPC) hầu hết là hàng nhập khẩu do một trong những nguồn nguyên liệu sản xuất nên IPC là polymaltose chưa được nghiên cứu và sản xuất, vì vậy việc nghiên cứu tổng hợp polymaltose để bào chế thuốc chống thiếu máu phục vụ nhu cầu trong nước là vấn đề mang tính khoa học và thực tiễn cao. Polymaltose là sản phẩm thủy phân từ tinh bột, dễ tan trong nước, có cấu trúc polyme mạch thẳng bao gồm các phân tử D-glucose liên kết với nhau, có công thức cấu tạo (C6H10O5)n với khối lượng phân tử dao động tương đối lớn khoảng 25000-32000 Dalton, gồm từ 3-20 gốc glucose liên kết với nhau chủ yếu bằng liên kết -1,4 glucoside. Polymaltose được sản xuất và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực chế biến thực phẩm và dược phẩm. Đặc biệt, polymaltose được dùng để tổng hợp phức sắt-polymaltose (IPC) dùng cho các bệnh nhân bị thiếu máu. Phức chất sắt-polymaltose đã được sử dụng để sản xuất thuốc chống thiếu máu cả ở dạng viên nén và dạng dung dịch, được ghi nhận là hiệu quả trong việc tăng nồng độ hemoglobin trong máu mà chưa có trường hợp sốc phản vệ nào xảy ra. Để tổng hợp các phức sắt-polymaltose đạt được hiệu suất và chất lượng cao thì nguồn nguyên liệu polymaltose phải có giá trị DE thích hợp cho quá trình tạo phức. Đây là một phần nghiên cứu thuộc đề tài cấp nhà nước đang được thực hiện bởi Viện Hóa học-Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam và Viện Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 1 Công nghiệp thực phẩm. Theo nghiên cứu này, polymaltose có mức độ thủy phân phù hợp nhất là DE 25. Với DE 25, polymaltose cho hiệu suất gắn kết và hiệu suất thu hồi đạt kết quả tốt nhất. Các loại tinh bột có nguồn gốc từ các hạt, củ, quả như khoai tây, gạo, sắn ... là nguồn nguyên liệu để sản xuất polymaltose. Tuy nhiên, với ưu điểm là nguồn nguyên liệu sẵn có trên thị trường và giá thành rẻ nhất, tinh bột sắn được lựa chọn là nguồn nguyên liệu để sản xuất polymaltose góp phần làm tăng giá trị nông sản. Để chủ động được nguồn nguyên liệu polymaltose trong sản xuất IPC và tránh phụ thuộc vào việc nhập khẩu thì việc nghiên cứu sản xuất polymaltose cho việc tạo phức IPC ở Việt Nam là rất cần thiết. Chính vì những lý do trên chúng tôi đề xuất nghiên cứu: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất Polymaltose từ tinh bột sắn bằng enzyme để ứng dụng tạo phức hợp sắt-polymaltose (IPC)” Mục tiêu đề tài Nghiên cứu được công nghệ sản xuất polymaltose từ tinh bột sắn với chất lượng DE 25, glucose (G1) 3%, maltose (G2) 15%, maltose oligomers (G 3) 80%. Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu các điều kiện dịch hóa tinh bột để làm nguyên liệu phù hợp cho quá trình đường hóa tạo polymaltose. - Nghiên cứu các điều kiện đường hóa thích hợp để tạo polymaltose DE 25. - Nghiên cứu điều kiện làm sạch và thu hồi sản phẩm dạng bột - Phân tích chất lượng sản phẩm. - Xây dựng quy trình sản xuất polymaltose Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. POLYMALTOSE – NGUYÊN LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT PHỨC SẮTPOLYMALTOSE 1.1.1. Giới thiệu về polymaltose Polymaltose có cấu trúc polyme mạch thẳng bao gồm các phân tử Dglucose liên kết với nhau, có công thức cấu tạo: (C6H10O5)n với phân tử lượng dao động tương đối lớn khoảng 25000-32000 dalton, gồm từ 3-20 gốc glucose liên kết với nhau chủ yếu bằng liên kết -1,4 glucoside [58]. Hình 1.1 Polymaltose (liên kết -1,4 glucoside, n = 1-18 ) Polymaltose là một dạng của maltoolygosaccharide, nó được sản xuất từ tinh bột sắn với sự tham gia của vi sinh vật và được ứng dụng nhiều trong thực phẩm và dược phẩm bởi các tính chất sau [15;42;56]: - Polymaltose là một dạng polysaccharide mạch thẳng nên có khả năng liên kết với sắt để tạo phức sắt-polymaltose (IPC) rất tốt. - Polymaltose có khả năng giữ ẩm tốt và hạn chế kết tinh, đặc biệt polymaltose ngăn chặn sự di chuyển độ ẩm từ hạt tinh bột, do đó làm giảm hiện tượng thoái hóa bằng cách ức chế quá trình tái cấu trúc chuỗi amylose và amylopectin cùng sự liên kết giữa tinh bột-gluten. Chính vì vậy, polymaltose có khả năng duy trì độ ẩm cao, giữ được độ ẩm phù hợp trong thực phẩm đặc biệt là các loại bánh tươi. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 3 - Polymaltose có thể được hấp thu từ từ trong máu, cung cấp năng lượng cho cơ thể một cách đều đều, giữ ổn định đường trong máu trong thời gian dài. - Được dùng để căn chỉnh kích thước màng, ổn định các tính chất của các sản phẩm thực phẩm và nguyên liệu. - Khi bổ sung vào thực phẩm, đồ uống polymaltose là tác nhân kìm hãm thành phần máu, vì nó thay thế một phần glucose nên hàm lượng glucose thấp. Hơn nữa sẽ ngăn cản sự kết tinh đường saccharose và bảo vệ cấu trúc của sản phẩm trong thời gian bảo quản. - Polymaltose có độ ngọt thấp chỉ bằng 30% so với đường saccharose dung dịch 10% ở nhiệt độ 25ºC, do đó có thể thay thế đường saccharose trong các thực phẩm để giảm độ ngọt sản phẩm mà không ảnh hưởng đến hương vị vốn có của sản phẩm. - Tác dụng chống táo bón. 1.1.2. Ứng dụng của polymaltose Polymaltose được thừa nhận là phụ gia cho thực phẩm và dược phẩm an toàn cho người dùng trực tiếp. Polymaltose được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực chế biến thực phẩm và dược phẩm [11]. 1.1.2.1. Ứng dụng trong dược phẩm - Ứng dụng trong sản xuất phức hợp sắt-polymaltose: Polymaltose là một dạng polysaccharide mạch thẳng nên có khả năng liên kết với sắt để tạo phức IPC rất tốt, tan trong nước đáp ứng được các yêu cầu chữa bệnh gồm độc tính thấp, dễ kết hợp với máu và có độ ổn định cao. Phức chất sắt-polymaltose đã được sử dụng làm thuốc chống thiếu máu cả ở dạng viên nén và dạng dung dịch, được ghi nhận là hiệu quả trong việc tăng nồng độ hemoglobin trong máu mà không gây ra hiện tượng sốc phản vệ [4;18;34;52]. Thiếu máu do thiếu sắt một bệnh phổ biến tại Việt Nam và trên thế giới, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của hàng tỷ người, đặc biệt là phụ nữ tuổi sinh đẻ, phụ nữ mang thai và trẻ nhỏ. Tình trạng thiếu máu do thiếu sắt đã làm Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 4 ảnh hưởng đến các chức năng như hệ thống miễn dịch, hệ thống thần kinh, làm giảm khả năng miễn dịch, giảm hoạt động thể chất và suy giảm nhận thức [16;26;45;48]. Theo đánh giá của Tổ chức Y tế thế giới (WHO): nguyên nhân thiếu máu do thiếu sắt chiếm tới 50% tổng số người thiếu máu ở các nước đang phát triển [50]. Ước tính có khoảng 1,6 tỷ người trên toàn thế giới bị thiếu máu [22;38]. Từ số liệu điều tra trên 192 quốc gia từ năm 1993 đến năm 2005 (Ngân hàng dữ liệu toàn cầu của WHO) cho thấy có 56,4 triệu phụ nữ có thai bị thiếu máu [55]. Theo số liệu điều tra năm 2008 của Viện dinh dưỡng, tỷ lệ thiếu máu của phụ nữ Việt Nam ở phụ nữ không mang thai là 26,5%, ở phụ nữ mang thai (31,4%), trẻ em dưới 5 tuổi (29,4%) đây là thực trạng đáng lo ngại [10]. Người ta nhận thấy rằng hầu hết các trường hợp thiếu máu do thiếu sắt đều có thể điều trị hiệu quả bằng cách bổ sung sắt hàng ngày dưới dạng thuốc hoặc thực phẩm giàu sắt. Nhiều loại thuốc chứa sắt điều trị thiếu máu đã được sản xuất trên thế giới bao gồm cả sắt vô cơ và hữu cơ với sắt hóa trị II hoặc III. Với liều lượng cao, sắt tồn tại ở trạng thái ion dễ gây ra các hiệu ứng phụ có hại như rối loạn đường ruột, ngộ độc sắt, biến màu men răng… Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách ổn định các nhân sắt oxy-hydroxide (FeOOH) không ion kích thước nano bằng các tác nhân tạo phức tan trong nước đó là phức sắt polymaltose (IPC) [4;24;32;34;44]. Các nghiên cứu hóa sinh và dược học trên người cho thấy, khi sử dụng, IPC không giải phóng ra sắt ở trạng thái ion trong điều kiện sinh lý của cơ thể. Hơn nữa, nhân sắt trong IPC được bao bọc bởi phân tử polymaltose có cấu trúc tương tự như trong ferritin (một protein chứa sắt có nhiệm vụ giữ sắt cho cơ thể, chủ yếu ở trong gan và lách). Do cấu trúc tương tự này mà sắt trong IPC được cơ thể hấp thụ tốt hơn các dược phẩm chứa sắt truyền thống qua đường tiêm truyền và qua dịch thể ở dạ dày và ruột. Mặt khác, nhân sắt trong IPC không bị oxy hóa do không chứa các hợp chất Fe (II). Do vậy, quá trình hấp thụ sắt xảy ra có điều khiển và phù hợp với sinh lý, làm giảm nguy cơ quá thừa sắt, không gây độc tế Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 5 bào. Sử dụng IPC cũng tránh được hiện tượng kích thích trong hệ tiêu hóa và hiện tượng táo bón như thường xảy ra với các chất chứa sắt khác [31]. - Ngoài ra, polymaltose còn được sử dụng làm tá dược đóng viên nén, được bổ sung vào thực phẩm chức năng, thực phẩm ăn kiên, thuốc bổ,…làm cho người bệnh hấp thu tốt hơn, đối với người bệnh tiểu đường thì giúp cho đường máu ổn định hơn [18; 62]. 1.1.2.2. Ứng dụng trong thực phẩm Trong công nghiệp bánh kẹo, polymaltose được sử dụng trong sản xuất kẹo ngọt, các món tráng miệng, kẹo mềm, bánh ngọt, bánh nướng, kem bơ,...[12; 42]. Trong công nghiệp đồ uống, polymaltose được sử dụng làm chất độn tạo viên trong công nghiệp sản xuất đồ uống, đặc biệt là đồ uống cho trẻ em, đồ uống và thức ăn riêng cho vận động viên thể thao, làm kẹo gum mềm, làm chất trợ sấy, chất giữ hương, yếu tố tạo hình [11;42]. Sản phẩm có còn được sử dụng làm chất kết dính, kẹo gum, làm dịu hương, chất tăng vị cho đồ uống, sử dụng thay thế glucose và saccharose, đưa vào thành phần bơ, sữa bột, cà phê hòa tan…[42; 56]. 1.2. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT POLYMALTOSE Quá trình sản xuất polymaltose gồm hai giai đoạn: Giai đoạn 1 là giai đoạn dịch hóa làm giảm độ nhớt của tinh bột và làm cho tinh bột tan hoàn toàn giúp cho quá trình đường hóa được tốt. Giai đoạn 2 là giai đoạn đường hóa tạo polymaltose mạch thẳng tức là trong giai đoạn đường hóa chỉ tiến hành thủy phân liên kết -1,6 glucoside [27;42;43]. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 6 1.2.1. Quá trình dịch hoá tinh bột bằng enzyme - amylase Để tạo ra tinh bột tan có DE thích hợp cho quá trình đường hoá tạo polymaltose trước hết phải tiến hành quá trình dịch hoá tinh bột bằng enzyme amylase. 1.2.1.1. Giới thiệu enzyme α- amylase và nguồn sinh tổng hợp Đây là enzyme nội bào (endo - 1,4 - D glucan glucohydrolase) thủy phân liên kết -1,4 glucoside của phân tử amylose một cách ngẫu nhiên không theo trật tự nào. Do đó α- amylase có thể thủy phân được amylose, amylopectin và các sản phẩm trung gian của quá trình thủy phân. Nhưng không có khả năng thủy phân liên kết -1,6 và α-1,3 glucoside [1; 13; 20]. Đó cũng là những endo enzyme tấn công các liên kết nội phân tử bên trong mạch tinh bột. Các α-amylase được phân loại theo tính chất và hoạt động của nó, α-amylase thủy phân tinh bột chủ yếu tạo ra dextrin được xếp vào loại “dịch hóa”. Enzyme -amylase có thể nhận được từ nhiều loại vi khuẩn, nấm men, nấm mốc. Tuy nhiên - amylase vi khuẩn vẫn được sử dụng nhiều nhất do một số đặc điểm ưu việt như: có hoạt tính cao hơn, có nhiệt độ tối ưu cao hơn so với các -amylase thu được từ nấm mốc, nấm men [3;9;17;37;39;40]. * Nguồn sinh tổng hợp α-amylase Bacillus là chủng vi khuẩn quan trọng nhất được sử dụng để sản xuất amylase trong công nghiệp bằng phương pháp nuôi cấy bề mặt và phương pháp nuôi cấy chìm. Hiện nay có nhiều phương pháp nghiên cứu sản xuất - amylase bền nhiệt từ B. licheniformis, trong đó phương pháp nuối cấy bề mặt cho hiệu suất kinh tế cao [9;28; 49] Nấm mốc Aspergillus là loài phổ biến trong sản xuất enzyme ngoại bào. Hiệu suất sinh tổng hợp enzyme có thể tăng lên nhiều nhờ điều kiện nuôi cấy và thành phần môi trường. Phương pháp sử dụng trong nuôi cấy enzyme - amylase từ nấm mốc là phương pháp nuôi cấy bề mặt, sử dụng chủng Asp. oryzae trong Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 7 thiết bị với dòng khí phun từ dưới lên có tác dụng đảo trộn các hạt trong môi trường, giúp tăng tốc độ truyền nhiệt và truyền khối, tăng hiệu suất sinh tổng hợp enzyme. Các điều kiện trao đổi oxy, đặc biệt là áp suất oxy hòa tan là những yếu tố quan trọng trong sản xuất - amylase [20; 57]. Xạ khuẩn và nấm men Endomycopsis cũng có khả năng tổng hợp amylase, tuy nhiên hoạt lực - amylase của chúng không cao [53;56]. 1.2.1.2. Cơ chế thủy phân tinh bột của α- amylase Enzyme - amylase thủy phân tinh bột một cách ngẫu nhiên các liên kết -1,4 glucoside, khi thủy phân -amylase tấn công amylose phân cắt thành maltose, maltotriose, oligosaccharide. Giai đoạn tiếp theo là quá trình thủy phân thành các dextrin phân tử lượng thấp, nhưng quá trình này xảy ra chậm, đặc biệt là các maltotriose vì cơ chất này không thích hợp với - amylase. Nếu chịu tác dụng lâu dài thì - amylase có thể chuyển phần lớn các chất trên thành maltose và glucose. Khi thủy phân amylopectin, giai đoạn đầu dẫn tới hình thành các dextrin giới hạn, có nhánh, và trọng lượng phân tử thấp là maltose và glucose. Giai đoạn sau, thủy phân maltotriose với tốc độ rất chậm. Sản phẩm cuối cùng ngoài maltose và glucose còn có các dextrin phân tử lượng thấp và isomaltose. Thủy phân tinh bột bằng - amylase dịch hóa, mức độ polyme không vượt quá 30 40% và tạo thành chủ yếu là dextrin và một ít đường. Tinh bột amylaza , H2 O - dextrin + glucose + maltose Cơ chế tác dụng của - amylase lên phân tử tinh bột là thủy phân không định vị các liên kết -1,4 glucoside trong các polysaccharid, dịch tinh bột loãng ra và độ nhớt giảm. Quá trình thủy phân tinh bột bằng enzyme tiến hành qua một loạt các sản phẩm trung gian có phân tử lượng khác nhau gọi là dextrin. Lúc đầu thu được các dextrin có phân tử lượng lớn, khác biệt so với tinh bột về cấu trúc Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 8 cũng như tính chất tác dụng với iot. Sau đó các dextrin thu được có phân tử lượng ngày càng thấp dần và tính chất tác dụng với iot cũng thay đổi [35;41]. 1.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới enzyme α-amylase * Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đối với enzyme được thể hiện qua phương trình Michaelis-Menten: Vmax . [S] V= Km + [S] Trong đó V: vận tốc của phản ứng Vmax: vận tốc cực đại của phản ứng [S]: nồng độ cơ chất Km: hằng số Michaelis, thể hiện ái lực giữa enzyme và cơ chất. Như vậy ở nồng độ cơ chất thấp, V phụ thuộc tuyến tính vào [S]. Ở nồng độ cơ chất lớn, vận tốc phản ứng đạt cực đại và không phụ thuộc [S], nếu nồng độ cơ chất bằng Km thì vận tốc phản ứng bằng một nửa vận tốc cực đại. Tuy nhiên cũng như một số enzyme khác, - amylase bị ức chế bởi cơ chất trong trường hợp thừa cơ chất [17]. * Ảnh hưởng của nồng độ enzyme Đối với các enzyme nói chung, trong điều kiện thừa cơ chất, vận tốc phản ứng phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzyme: v = k .[E] với [E] là nồng độ enzyme Cũng có trường hợp khi nồng độ enzyme quá lớn, vận tốc phản ứng tăng chậm. *Ảnh hưởng của pH lên hoạt độ của α- amylase Mỗi - amylase phụ thuộc vào nguồn gốc thu nhận mà có pH thích hợp và đặc trưng riêng. Thường gặp là các - amylase có pH hoạt động khoảng 5,0 – 7,0, một số loại có pH hoạt động khá cao 7,5 – 10, các enzyme này thường gặp ở các chủng ưa kiềm, thuộc nhóm enzyme kiềm tính. Enzyme hoạt động ở vùng pH thấp, thuộc nhóm enzyme axit. Một số - amylase có vùng pH hoạt động khá rộng, tối ưu ở pH = 6,0 – 7,0, nhưng ở vùng pH axit thấp và axit cao chúng vẫn giữ được tới 70 - 80% hoạt tính. pH hoạt động của - amylase từ nấm mốc là 4,5-5,0, của vi khuẩn là 5,8-7,0. Nếu pH<4,0 thì - amylase của vi khuẩn bị mất hoàn toàn hoạt lực [53]. *Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động của - amylase Enzyme -amylase có nguồn gốc khác nhau thì có nhiệt độ tối thích khác nhau. Phần lớn - amylase của động vật, thực vật và một số loại vi sinh vật có 0 nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 40 – 50 C. Một số loại enzyme ưa lạnh và chủ yếu là các loại enzyme có nhiệt độ tối ưu cao hay còn gọi là enzyme chịu nhiệt. 0 Nhiệt độ tối ưu của enzyme chịu nhiệt thường > 65 C. Maining và Campell đã xác định nhiệt độ tối thích của các enzyme có nguồn gốc khác nhau như : B. 0 0 0 stearothermophilus: 55 – 70 C, B. subtilus: 60 C, B. licheliformis: 90 -105 C [23; 29; 47]. *Các chất kìm hãm hoạt động của - amylase Các chất kìm hãm hoạt động của enzyme -amylase có cơ chế tác động hoàn toàn khác với cơ chế hoạt động của một số chất bất hoạt enzyme. Các chất kìm hãm hoạt động của enzyme hoạt động theo cơ chế cạnh tranh và không cạnh tranh với cơ chất. Khi giải phóng khỏi chất kìm hãm enzyme lại hoạt động trở lại. Nghiên cứu cơ chế hoạt động của chất kìm hãm là một biện pháp hữu hiệu để nghiên cứu hoạt động của enzyme, xác định vị trí của tâm gắn cơ chất, tâm hoạt động trên các cấu trúc bậc ba của - amylase. Các chất kìm hãm của - amylase chia làm hai loại: Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 10