Công nghệ Hóa sinh

Chương 1 CÁC PHẢN ỨNG HÓA SINH PHỔ BIẾN TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM. Phản ứng thủy phân. Ý nghĩa của phản ứng thủy phân. Phản ứng thủy phân là phản ứng rất phổ biến và quan trọng trong bảo quản và chế biến thực phẩm. Phản ứng thủy phân đặc trưng cho giai đoạn phân giải, do đó làm thay đổi thay đổi tính chất của nguyên liệu ban đầu tạo ra sản phẩm thực phẩm dễ hấp thu và dễ tiêu hóa hơn.Từ nguyên liệu ban đầu là các polymer sinh học như protein, polysaccharide, lipid qua phản ứng thủy phân tạo ra các monomer như aminoacid, glucose, acid béo có thể hấp thu qua màng tế bào và tiếp tục phân giải trong tế bào. Phản ứng thủy phân làm thay đổi tính chất vật lý, hóa học của nguyên liệu, tạo ra sản phẩm có mùi vị khác xa so với nguyên liệu ban đầu Trong bảo quản thực phẩm, phản ứng thủy phân lại trở nên bất lợi vì nó làm thay đổi chất lượng của sản phẩm bảo quản và mở đầu cho phản ứng oxi hóa khử tiếp theo làm hỏng sản phẩm. Do đó tùy thuộc vào qui trình chế biến hay bảo quản mà người ta tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra hoặc ức chế phản ứng. Trong công nghiệp thực phẩm, người ta có thể thủy phân bằng hóa chất hoặc enzyme tùy nguyên liệu ban đầu hoặc tùy qui trình 1.1.2 Đặc điểm của enzyme thủy phân. Các cơ chất được enzyme thủy phân là các polymer sinh học như protein, carbohydrate, lipid. Những cơ chất này thường chứa liên kết nhị dương dễ bị tác động của enzyme thủy phân bẽ gãy theo cơ chế xúc tác nucleophin Các enzyme tham gia phản ửng thủy phân thuộc lớp enzyme hydrolase, đa số enzyme thuộc lớp này không có nhóm thêm, trung tâm hoạt tính của chúng thường có các nhóm chức đặc biệt như vòng imidazol của histidine hay nhóm hydroxyl của serine. Những nhóm chức trên thường ở cách xa nhau trong mạch polypeptide nhưng do cấu trúc bậc ba mà chúng xích lại gần nhau và hình thành liên kết hydrogen giữa các nhóm. Phản ứng thủy phân trong công nghiệp sản xuất nước chấm. Nguyên liệu dùng để sản xuất nước chấm phần lớn là protein từ động thực vật, nhờ phản ứng thủy phân protein tạo ra aminoacid hoặc peptide, vì vậy nước chấm là sản phẩm chứa đạm amin dễ hấp thu và có giá trị dinh dưỡng cao Trong công nghiệp sản xuất nước chấm người ta có thể sử dụng phương pháp hóa giải hoặc lên men, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp hóa giải có ưu điểm là qui trình sản xuất rút ngắn, hiệu suất thủy phân cao, thủy phân triệt để nên hàm lượng đạm amin cao nước chấm có hương vị thơm ngon tuy nhiên độc hại đối với người sản xuất và có thể tạo độc tố 3-MCPD ( 3- mono chloro propan 1,2-diol ). Phương pháp lên men sử dụng enzyme thủy phân nên dễ tiến hành ở điều kiện thủ công, ít tốn kém, không tạo độc tố, tuy nhiên quá trình thủy phân kéo dài không hiệu quả kinh tế cũng như thủy phân không triệt để nên hàm lượng đạm amin không cao. Hiện nay người vẫn sử dụng cả hai phương pháp nói trên để sản xuất nước chấm 1.1.3.1 Phản ứng thủy phân trong sản xuất tương. Nguyên liệu dùng cho sản xuất tương bao gồm hai loại chính, nguyên liệu giàu tinh bột như gạo nếp, nguyên liệu giàu protein như đậu nành. Tác nhân thủy phân hai nguyên liệu nói trên là enzyme amylase và protease được cung cấp bởi nấm mốc Aspergillus oryzae, qui trình sản xuất bao gồm các bước sau: -Làm mốc giống dùng chủng Asp.oryzae đã được phân lập từ trước nhân giống qua các môi trường trung gian như cơm hoặc xôi sau vài ngày mốc mọc đều có màu vàng hoa cau đem dùng cho giai đoạn tiếp theo. -Nuôi mốc trên nguyên liệu giàu tinh bột: nguyên liệu giàu tinh bột như gạo, nếp, bắp đã xay bể hấp chín để nguội còn 30-40o C, trộn mốc giống với tỷ lệ 0,5-1% so với nguyên liệu, trải mỏng ra khay hoặc nong nia bằng tre với độ dày 2cm. độ ẩm môi trường 58% nuôi trong điều kiện nhiệt độ 32oC. Sau 40 giờ mốc có màu vàng hoa cau là được. Trong giai đoạn này Asp.oryzae phát triển và tổng hợp hai enzyme amylase và protease. -Ủ mốc mật: đây là giai đoạn quan trọng, tinh bột được thủy phân thành đường nhờ amylase của nấm mốc, tinh bột đã nuôi mốc ở giai đoạn trước đem bóp tơi trộn nước có 2% NaCl đem ủ trong dụng cụ bằng sành ở 40oC trong 2 ngày sau đó cho thêm NaCl cho đủ 25% để trong vòng 7 ngày. Sau giai đoạn này ta có khối nguyên liệu màu sẫm có vị ngọt được gọi là mốc mật. -Song song với giai đoạn làm mốc mật là giai đoạn ngâm đậu nành: đậu nành đem rang chín, xay nhỏ sàng bỏ vỏ, ngâm nước sạch theo tỷ lệ 1kg đậu/ 5-6 lít nước, phơi nắng sau 7 ngày có thể dùng đậu ngâm phối trộn cùng mốc mật. -Ngả tương: đây là giai đoạn phối trộn mốc mật với đậu ngâm ở giai đoạn trước,enzyme protease có trong mốc mật sẽ thủy phân protein có trong đậu tương cho ra các peptide ngắn và các acidamin, giai đoạn này thường kéo dài từ 20 ngày trở lên, càng lâu quá trình thủy phân càng triệt để. Tương là nước chấm có chứa đường do tinh bột thủy phân tạo thành nên có vị ngọt, chứa các acidamin, có vị mặn của muối nên có thể giữ lâu. Đây là loại nước chấm khá phổ biến ở nước ta, những sản phẩm nổi tiếng như tương Bần (Hưng yên), tương Cự Đà (Hà Đông), tương Nam Đàn… 1.1.3.2 Phản ứng thủy phân trong sản xuất nước mắm. Nước mắm là nước chấm được hình thành do quá trình thủy phân protein từ thịt cá thành acid amin và peptide nhờ enzyme protease từ tụy cá và protease từ vi sinh vật sống trong ruột cá. Qui trình chung để sản xuất nước mắm như sau: cá nước ngọt hay cá biển được rửa sạch, để ráo, phối trộn cá với muối theo tỷ lệ 25-30kg muối/ 100kg cá cho tất cả vào chum, khạp sành sứ trên cùng phủ một lớp muối để bảo quản. Phơi nắng từ 6-9 tháng cá ngấu thịt nhuyễn ta có khối chượp chín, chượp chín cho vào chum khạp có vòi ở đáy để lấy sản phẩm ra. Song song với quá trình ủ chượp chín, ta cần làm nước muối 25%, sau khi rút nước mắm đợt một, ta cho nước muối vào khuấy đều vài ngày sau lại rút đợt hai, nước mắm được lấy ra từ 4-5 lần, những lần sau độ đạm giảm dần. Nước mắm sản xuất theo phương pháp truyền thống có hương vị thơm ngon do mùi hương được hình thành trong suốt thời gian ủ tạo ra, tuy nhiên thời gian thủy phân quá dài do đó không hiệu quả về kinh tế vì vậy người ta dùng nhiều biện pháp khác nhau để rút ngắn thời gian thủy phân Hiện nay trong sản xuất nước mắm người ta áp dụng nhiều biện pháp khác nhau để tăng hiệu suất quá trình thủy phân, rút ngắn thời gian sản xuất như: cho muối nhiều đợt, ở Cát Hải ( Hải phòng ) người ta thực hiện phương pháp chia muối ra làm nhiều đợt cho vào khối cá với mục đích giúp cho enzyme thủy phân hoạt động tốt hơn, tuy nhiên phương pháp này dễ tạo điều kiện cho vi sinh vật lên men thối hoạt động làm hỏng khối chượp chín do đó mà người ta luôn chú ý hiện tượng nổi bọt để bổ sung muối kịp thời. Miền trung thường cải tiến bằng cách phơi nắng và khuấy trộn liên tục giúp cho quá trình thủy phân nhanh hơn, xay nhỏ nguyên liệu hoặc bổ sung enzyme từ ngoài vào cũng là một biện pháp cải tiến giúp rút ngắn thời gian sản xuất, tuy nhiên nước mắm sản xuất theo phương pháp ngắn ngày hương vị thường kém hơn nước mắm sản xuất theo phương pháp dài ngày do không đủ thời gian tạo hương cho sản phẩm. Nước mắm là loại nước chấm giàu aminoacid không thay thế vì được làm từ cá, tuy nhiên hàm lượng ni tơ amoniac cao hơn các loại nước chấm khác do sự hoạt động của vi sinh vật lên men thối trong ruột cá 1.1.3.3 Sản xuất nước tương theo phương pháp hóa giải Cơ sở hóa sinh của phương pháp này là thủy phân protein của động hoặc thực vật thành aminoacid dưới tác nhân xúc tác là acid mạnh ( HCl, H2SO4 ) hay kiềm mạnh ( NaOH ). Qui trình sản xuất nước tương từ nguyên liệu thực vật: nguyên liệu giàu protein như đậu nành, đậu phộng (đã tách dầu ), dùng HCl 8-10N để thủy phân ở nhiệt độ 120-130oC, thời gian thủy phân 5-6 giờ có khuấy trộn dịch thủy phân. Sau thủy phân trung hòa acid dư bằng NaOH đến pH=6-6,5. Lọc dịch thủy phân bổ sung NaCl đủ 25%, bổ sung chất bảo quản, đóng chai. Sản xuất nước tương từ xương động vật: các loại xương động vật mới giết mổ được rửa sạch, phân loại thành xương cứng ( xương ống, xương đầu ) xương mềm ( xương sườn, sụn ), sau đó cho xương vào thiết bị hầm với áp suất cao, xương cứng hầm từ 3-5 giờ, xương mềm hầm từ 2-3 giờ. Sau khi hầm ta có nước súp với độ đạm từ 10-11g / lít, trước khi thủy phân cần tách bỏ mỡ bằng cách để nguội mỡ nổi lên trên và đông lại. Nước súp đã tách mỡ được đem thủy phân, với nguyên liệu đông vật thường dùng NaOH để thủy phân với mục đích loại mỡ còn sót lại nhờ phản ứng xà phòng hóa. Thường dùng NaOH 4-5N, nhiệt độ thủy phân 100oC sau 12 giờ quá trình thủy phân kết thúc, trung hòa dịch thủy phân bằng HCl cho đến pH=6,5, sau khi trung hòa lọc tách cặn thu dịch lọc bổ sung NaCl và cô dịch để tăng độ đạm lên 20g /lít, bổ sung chất bảo quản và đóng chai. Nước tương sản xuất từ nguyên liệu động vật có hương vị thơm ngon và giàu aminoacid không thay thế hơn là nguyên liệu thực vật. Nước tương sản xuất bằng phương pháp hóa giải thường hình thành độc tố 3-MCPD do nguyên liệu sử dụng có lẫn chất béo, khi thủy phân bằng HCl các chất béo cũng bị thủy phân tạo glycerin và các acid béo tự do, do thủy phân ở nhiệt độ cao do đó các gốc Cl trong HCL sẽ tham gia phản ứng thế trong glycerin hình thành độc tố Hình 1.1 các phản ứng hình thành 3-MCPD trong sản xuất nước tương Hiện nay, trong công nghiệp sản xuất nước chấm người ta tìm mọi biện pháp để giảm hàm lượng 3-MCPD bằng cách chọn nguyên liệu không còn chất béo hoặc thay đổi tác nhân thủy phân. Giảm nồng độ acid hoặc giảm nhiệt độ thủy phân cũng góp phần làm giảm hàm lượng 3-MCPD 1.2 Phản ứng oxi hóa khử trong công nghiệp thực phẩm. 1.2.1 Ý nghĩa của phản ứng oxi hóa khử trong công nghiệp thực phẩm. Trong công nghiệp thực phẩm phản ứng oxi hóa khử sinh học đóng vai trò rất quan trọng, từ nguyên liệu ban đầu thông qua các quá trình oxi hóa khử sinh học tạo ra nhiều sản phẩm có màu sắc đẹp, vị ngon, hương thơm làm cho sản phẩm có tính đặc trưng riêng, tăng giá trị cảm quan của sản phẩm. Đặc biệt các quá trình lên men bao gồm hàng loạt các phản ứng oxi hóa khử nối tiếp nhau tạo ra sản phẩm thiết thực cho đời sống. Ngược lại với quá trình chế biến, trong bảo quản lương thực thực phẩm phản ứng oxi hóa khử thường làm thay đổi chất lượng của lương thưc thực phẩm, tổn thất vitamin và thay đổi màu sắc. Vì vậy tùy thuộc vào qui trình chế biến hay bảo quản mà người ta sẽ thúc đẩy hay kim hãm phản ứng oxi hóa khử xảy ra. 1.2.2 Đặc điểm của enzyme oxi hóa khử. Enzyme oxi hóa khử thuộc lớp oxidoreductase, là những enzyme hai thành phần ngoài phần apoenzyme còn có các coenzyme hoặc ion kim loại. Các enzyme thuộc nhóm hoạt hóa hydro (dehydrogenase) được chia thành hai nhóm nhỏ là piridin- dehydrogenase có coenzyme là NAD+ hoặc NAD+P, flavin- dehydrogenase có coenzyme là FAD hoặc FMN. Các enzyme hoạt hóa oxy (oxydase) thường gắn với ion kim loại sắt hoặc đồng, tùy thuộc vào ion kim loại gắn với enzyme mà chúng được chia thành hai nhóm nhỏ là Fe- proteit và Cu- proteit. Phản ứng oxi hóa khử trong chế biến trà. Thành phần hóa học của lá trà. Trà nguyên liệu ban đầu bao gồm búp và hai lá non có thành phần hóa học như sau: Trong búp và lá trà non nước chiếm khoảng 75%, phần trọng lượng khô thì các chất hòa tan chiếm tỷ lệ trên 50% trong đó quan trọng nhất là tanin.Tanin là các hợp chất polyphenol có vị chát gây kết tủa protein, có nhiều loại tanin khác nhau nhưng tanin chính trong trà là hợp chất catechin có công thức chung C 6-C 3-C 6 Hình 1.2 công thức các loại catechin Có tất cả 8 loại catechin khác nhau trong lá trà chiếm phần lớn là EGCG ( epi gallo catechin gallat), đây là hợp chất có khả năng chống oxi hóa tốt, góp phần loại bỏ các gốc tự do trong tế bào, giảm cholesterol và quyết định chất lượng của trà thành phẩm, qua quá trình chế biến catechin bị oxi hóa tạo ra các sản phẩm cho màu và cho mùi đặc trưng. Trong lá trà cũng chứa protein hòa tan có tính chất kiềm, qua chế biến protein bị thủy phân một phần do đó hàm lượng protein giảm đi và aminoacid tăng lên, aminoacid tự do sẽ kết hợp với dẫn xuất của catechin tạo ra các aldehyde có mùi thơm cho trà. Alkaloid quan trọng có trong trà là cafein chiếm từ 3-5% chất hòa tan có trong trà, cafein trong trà nhiều gấp 4 lần trong cà phê. Ngoài ra trong trà còn có 2 loại alkaloid khác là theobromin và theophylin với hàm lượng rất ít. Trong quá trình chế biến cafein sẽ phản ứng với sản phẩm oxi hóa của catechin tạo ra tanat-cafein cho mùi thơm, ở nhiệt độ thường sản phẩm này tạo lớp váng trên mặt nước trà và dễ dàng hòa tan ở nhiệt độ cao. Ngoài enzyme thủy phân trong lá trà có hai enzyme oxi hóa khử quan trọng là polyphenoloxydase và peroxydase, hai enzyme này oxi hóa các catechin trong quá trình chế biến. Trong trà còn chứa sắc tố và hương thơm. Kỹ thuật chế biến trà đen. Qui trình chế biến trà đen bao gồm các bước sau: làm héo- vò- lên men- sấy- phân loại sản phẩm. Làm héo: mục đích giai đoạn làm héo là làm giảm lượng nước trong trà nguyên liệu, tạo điều kiện cho quá trình vò thuận tiện, lá trà dẻo không bị gãy nát, tạo điều kiện tối ưu cho phản ứng enzyme xảy ra. Với những khu vực nắng gió nhiều như Xrilanca, Ấn Độ, Việt nam làm héo trà bằng phương pháp tự nhiên nhờ nắng gió, còn những khu vực điều kiện tự nhiên không thuận lợi người ta dùng phương pháp nhân tạo nhờ máy làm héo trà. Vò trà: mục đích của giai đoạn này là phá vỡ vỏ và màng tế bào lá tạo điều kiện cho các chất có trong lá trà hòa tan trong nước, catechin và enzyme có sẵn trong lá trà sẽ tiếp xúc với oxy không khí, phản ứng oxi hóa dể dàng xảy ra. Hiện nay người ta có thể vò trà bằng tay theo phương pháp thủ công hoặc vò bằng máy trong công nghiệp.Quá trình lên men: đây là giai đoạn chủ yếu quyết định chất lượng trà, giai đoạn này các phản ứng oxi hóa catechin xảy ra nhờ enzyme polyphenoloxydase và peroxydase như sau: Hình 1.3 Các phản ứng oxi hóa trong chế biến trà đen Đầu tiên catechin bị oxi hóa bởi oxy không khí dưới sự xúc tác của enzyme polyphenoloxydase tạo ra orthoquinon, sau đó hai phân tử orthoquinon ngưng tụ với nhau tạo ra diphenolquinon. Từ diphenolquinon sẽ biến đổi theo hai hướng khác nhau, một diphenolquinon sẽ tương tác với một polyphenol hình thành một bisflavonol không màu, một phân tử còn lại bị oxi hóa tiếp tục thành teaflavin cho màu vàng, từ teaflavin và bisflavonol kết hợp quá trình oxi hóa tiếp tục tạo ra sản phẩm cuối cùng có màu đỏ là tearubigin. Tùy thuộc vào quá trình lên men mà tỉ lệ teaflavin và tearubigin khác nhau, tuy nhiên tỉ lệ tearubigin thường cao hơn teaflavin từ 4-6 lần và nó quyết định màu sắc nước trà. Quá trình lên men thực chất bắt đầu từ giai đoạn vò trà và tiến hành mạnh mẽ ở giai đoạn lên men trong vòng từ 2-5 giờ. Điều kiện kỹ thuật khi lên men trà: nhiệt độ 24-26o C, độ ẩm không khí 95-98%, chiều dày lớp trà trên khay là 4-6 cm, trong quá trình lên men các phản ứng sinh hóa xảy ra làm thay đổi một số chất trong trà tạo ra màu mới và giảm hàm lượng catechin. Sau lên men trà được chuyển qua công đoạn sấy ở nhiệt độ 80-90oC cho đến khi độ ẩm còn 4-7% thì được đem phân loại. Để phân loại, trà được đưa qua máy sàng và được phân thành các loại sau: trà thành phẩm gồm hai loại trà cánh và trà mảnh. Nhóm trà cánh gồm các loại sau -Trà OP (orange pekoe) chủ yếu do tôm lá thứ nhất và một phần cộng non của búp tạo thành. Nhìn bề ngoài trà OP có sợi mảnh đều nhau, có nhiều tuyết được xoăn chặt, nước pha trà dạng này rất trong có màu đỏ mật ong. - Trà P (pekoe) cũng có sợi mảnh nhưng kích thước lớn hơn trà OP được tạo thành từ lá thứ nhất và lá thứ hai có độ xoăn vừa phải, nước trà ít trong hơn và cánh trà không có tuyết. - Trà PS (pekoe shouchong) gồm các lá già của trà nguyên liệu nên có bề ngoài thô so với hai loại trên và nước không đẹp. Nhóm trà mảnh bao gồm: Trà BOP (broken orange pekoe) do phần non của trà nguyên liêu bị gảy nát hình thành, do đó màu nước trà không đẹp như trà OP. Trà BP ( broken pekoe) nguyên liệu giống trà P, nhưng do quá trình chế biến bị gãy, chất lượng nước kém trà P. Trà BPS (broken pekoe shouchong) từ trà PS gãy vụn tạo thành. Trà faning hay còn gọi là trà tấm, là phần nát vụn dùng để sản xuất trà túi lọc. Trà đen thành phẩm có vị chát nhẹ, mùi thơm dể chịu khi pha vào nước cho màu đỏ mật ong 1.2.3.3 Kỹ thuật chế biến trà xanh Khác với quá trình chế biến trà đen, chế biến trà xanh không có giai đoạn làm héo và lên men. Tất cả hoạt của enzyme được đình chỉ ngay trong giai đoạn đầu tiên nhờ quá trình sao hoặc hấp nguyên liệu, do đó trà xanh thành phẩm hầu như giữ nguyên thành phần hóa học ban đầu. Nguyên liệu chế biến trà xanh cũng giống như nguyên liệu chế biến trà đen nhưng qui trình có khác nhau. Nguyên liệu → cố định → vò → sấy → phân loại. Giai đoạn đầu tiên trong chế biến trà xanh là giai đoạn cố định, trong công nghiệp hiện nay có hai kiểu cố đinh là sao và hấp. Phương pháp sao được áp dụng nhiều ở Trung Quốc, Ấn Độ, Xrilanca…, theo phương pháp này trà nguyên liệu được sao trưc tiếp trong các chảo gang với nhiệt độ cao các enzyme có trong lá trà sẽ bị mất hoạt tính, do đó phản ứng oxi hóa sẽ không xảy ra, catechin cũng như những thành phần khác trong lá trà được giữ nguyên, khi sao lượng nước trong trà mất đi, độ ẩm giảm và lá trà trở nên mềm dẻo hơn. Phương phấp hấp thường được áp dụng ở Nhật Bản, trà nguyên liệu được đem hấp cách thủy, nhờ nhiệt độ cao của hơi nước mà các enzyme bị ức chế. Do hấp bằng hơi nước nên độ ẩm của nguyên liêụ sẽ tăng lên do sự ngưng đọng của nước trên bề mặt nguyên liệu sau khi hấp thường phải làm khô nguyên liệu trước khi vò. Phương pháp hấp có ưu điểm là lá trà xanh hơn so với phương pháp sao. Giai đoạn vò: mặc dù không có quá trình lên men như trong chế biến trà đen, nhưng để tạo cho cánh trà có độ xoăn nhất định và khi pha các chất hòa tan dể đi vào nước nóng, người ta vẫn tiến hành vò trà. Trà nguyên liệu được đưa vào các máy vò cho đến khi tạo cánh sẽ chuyển sang giai đoạn sấy. Giai đoạn sấy: trà sau khi vò được đưa sang máy sấy cho đến khi độ ẩm còn khoảng 5% là đem đi sàng và phân loại. Cách phân loại trà xanh cũng giống như phân loại trà đen. Trà xanh có cánh trà đẹp, màu phớt xanh khi hòa vào nước cho nước màu vàng hổ phách có vị chát của catechin, cho mùi thơm trà tự nhiên. Từ trà xanh hoặc trà đen người ta chế biến ra trà hương bằng cách ủ trà với hương liệu tươi hoặc khô Chương 2 CÁC CHẤT MÀU TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM 2.1