Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thuỷ phân Gluten lúa mì

810 ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN QUÁ TRÌNH THUỶ PHÂN GLUTEN LÚA MÌ Nguyễn Lệ Hà1, Hồ Hồng Tuyết2 1 Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Đại học Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh 2Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT Nghiên cứu thực hiện thủy phân gluten lúa mì bằng enzyme Alcalase ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau nhằm thu dịch thủy phân giàu protein hoà tan ở dạng peptides mạch ngắn và acid amin để có thể ứng dụng vào mục đích thực phẩm. Quá trình được đánh giá thông qua mức độ thuỷ phân và hàm lượng protein hoà tan của dịch thuỷ phân thu được. Nhiệt độ 60oC tỏ ra phù hợp nhất để mức độ thuỷ phân và hàm lượng protein hoà tan cao nhất. Từ khoá: Thuỷ phân protein, gluten lúa mì, gluten, Alcalase, nhiệt độ thuỷ phân. 1. MỞ ĐẦU Quá trình thuỷ phân protein nói chung và gluten lúa mì nói riêng luôn phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó, nhiệt độ đóng vai trò lớn để quá trình diễn ra thuận lợi và đạt hiệu quả cao. Mỗi enzyme có một khoảng nhiệt độ hoạt động tối ưu. Nhiệt độ cao làm ức chế hoạt động enzyme, nếu nhiệt độ quá cao có thể gây vô hoạt enzyme, ngược lại nếu nhiệt độ quá thấp, enzyme hoạt động không hiệu quả. Với enzyme Alcalase, theo thông số nhà sản xuất cung cấp, khoảng nhiệt độ tối ưu dao động từ 55oC đến 65oC. Trong khoảng nhiệt độ này, enzyme hoạt động tốt nhất. Nghiên cứu này thực hiện thủy phân ở những nhiệt độ khác nhau theo thời gian nhằm xác định nhiệt độ và thời gian tối ưu để đạt mức độ thủy phân cao nhất và dịch thuỷ phân có hàm lượng protein hoà tan cao nhất. 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu Gluten lúa mì của hãng Roquette (Pháp) được cung cấp bởi Công ty TNHH Định Hướng Mới. Sản phẩm được đóng gói 1kg/gói với thành phần nhà sản xuất cung cấp được trình bày trong bảng 2.1. Sản phẩm được bảo quản nhiệt độ thường, nơi khô thoáng. Enzmye Alcalase được sản xuất bằng phương pháp lên men vi khuẩn Bacillus licheniformis Bảng 2.1. Thành phần nguyên liệu gluten lúa mì Ẩm (%) 7.8±0.1 Protein tổng (%) 75.7±0.706 Lipid (%) 2.249±0.01 Carbohydrate (%) 12.247±0.565 Tro (%) 0.959±0.006 811 2.2. Bố trí thí nghiệm Gluten lúa mì được phối trộn với nước theo tỷ lệ 15% (w/w). Dùng dung dịch NaOH 1N để chỉnh pH của hỗn hợp về giá trị 8. Tiến hành gia nhiệt hỗn hợp trong bể điều nhiệt có lắc đến nhiệt độ cần khảo sát (50, 55, 60, 65, 70 o C), sau đó, cho enzyme Alcalase vào mẫu thủy phân với tỉ lệ enzyme cơ chất là 0.116 AU/g gluten. Sau thời gian thủy phân cần thiết, tiến hành vô hoạt enzyme ở 100oC trong 10 phút rồi làm nguội đến nhiệt độ thường bằng nước lạnh, ly tâm thu dịch thủy phân và xác định các thông số cần đo. 2.3. Phƣơng pháp phân tích Mức độ thủy phân DH được xác định theo phương pháp pH-stat [1]. Hàm lượng protein hoà tan, peptid mạch ngắn được xác định bằng phương pháp Lowry [6]. Hoạt độ protease xác định theo phương pháp Anson, đơn vị AU (Anson Unit) [2]. 2.4. Phƣơng pháp xử lý số liệu Các thí nghiệm được thực hiện song song ba lần, mỗi lần ba mẫu. Toàn bộ số liệu được phân tích ANOVA để kiểm tra sự khác biệt giữa các lần lặp lại và tính giá trị trung bình. Phân tích thống kê được thực hiện với phần mềm Statgraphic Centurion. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến mức độ thuỷ phân gluten lúa mì Mức độ thuỷ phân gluten lúa mì DH được thể hiện trên đồ thị hình 1, mức độ thủy phân tăng mạnh trong 30 phút đầu tiên, sau đó mức độ tăng giảm dần. Sau 60 phút thuỷ phân ở 50oC DH là 10.925%, khi tăng lên 60 oC DH là 13.274% (tăng lên xấp xỉ 3%). Tuy nhiên, nhiệt độ cao hơn 60oC thì DH giảm, ở 65oC sau 60 phút DH là 12.397% (giảm 0.87%), ở 70oC DH là 9.206% (giảm 4.07%). Ở nhiệt độ 70oC ta thấy DH gần như thay đổi rất ít và đang có xu hướng đạt trạng thái cân bằng do enzyme bắt đầu bị biến tính ở nhiệt độ cao. Hình 1. Đồ thị biểu diễn mức độ thủy phân theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau Để chuyển cơ chất thành sản phẩm, enzyme phải va chạm và liên kết với cơ chất tại trung tâm hoạt động. Khi nhiệt độ tăng, động năng của các phân tử tăng, các phân tử nước, cơ chất, enzyme trở nên linh động hơn, số trung tâm hoạt động enzyme tiếp xúc với cơ chất tăng, tốc độ phản ứng tăng nên mức độ thủy phân tăng. Theo Mukhin and Novikov (2001) nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ sinh sản phẩm vì khi tăng 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 15 30 45 60 75 90 105 120 D H (% ) Thời gian thuỷ phân (phút) 50 độ C 55 độ C 60 độ C 65 độ C 70 độ C 812 nhiệt độ thì năng lượng cung cấp cho phản ứng tăng, xúc tác phản ứng xảy ra nhanh hơn [7]. Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ quá cao thì lượng sản phẩm sinh ra lại giảm do enzyme bị biến tính nhiệt. Khi tiếp tục tăng nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối ưu, các liên kết yếu, đặc biệt là liên kết hydro và ion yếu sẽ bị phá vỡ. Những liên kết bị phá vỡ trong enzyme sẽ làm protein enzyme bị biến tính, làm thay đổi hình dạng trung tâm hoạt động enzyme, hình dạng cơ chất không tương thích với hình dạng mới của enzyme làm giảm khả năng xúc tác phản ứng nên khả năng thủy phân của enzyme giảm, mức độ thủy phân giảm theo [7]. Với cơ chất là gluten lúa mì, ta thấy nhiệt độ thuỷ phân tăng làm DH tăng, tuy nhiên khi tăng quá cao thì DH giảm, sự biến thiên được thể hiện cụ thể trong Hình 2 Hình 2. Mức độ thủy phân sau 120 phút thuỷ phân gluten lúa mì ở các nhiệt độ khác nhau Sau 120 phút thủy phân ở các nhiệt độ 50, 55, 60, 65 và 70oC thì DH tương ứng là 15.642%, 17.447%, 18.669%, 17.81% và 11.583%. Khi thực hiện ở 60oC ta thấy DH đạt giá trị cao nhất. Mỗi loại enzyme khác nhau sẽ có nhiệt độ tối ưu khác nhau. Ngoài ra, nhiệt độ tối ưu cho cùng một loại enzyme thủy phân trên các cơ chất khác nhau có thể khác nhau do nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến cơ chất. Theo Apar và cộng sự (2008) đã tiến hành thủy phân gluten bắp bằng enzyme Alcalase, nồng độ gluten bắp là 3% kết quả cho nhiệt độ tối ưu là 55oC [3]. Một nghiên cứu khác của Kexue Zhu và cộng sự (2006) tiến hành thủy phân protein trong mầm lúa mì với Alcalase kết quả khảo sát thu được nhiệt độ tối ưu là 50oC [5]. Haihua và cộng sự (2012) tiến hành thủy phân gluten lúa mì với nồng độ gluten là 6% thu được nhiệt độ tối ưu là 55 o C. Như vậy, nhiệt độ thích hợp để thủy phân tùy thuộc vào loại cơ chất, nồng độ cơ chất, nồng độ ezyme. Alcalase có nhiệt độ thích hợp luôn nằm trong khoảng 55-65oC, các kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ tối ưu luôn nằm trong khoảng nhiệt độ mà nhà sản xuất cung cấp. Với cơ chất là gluten trong thí nghiệm này, nhiệt độ thuỷ phân là 60oC thì DH đạt cao nhất. 3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hàm lƣợng protein hoà tan của dịch thuỷ phân Hàm lượng protein hoà tan của dịch thuỷ phân được thể hiện trên đồ thị hình 3. Dễ nhận thấy rằng, khi thuỷ phân ở 60oC, mức độ thủy phân tại tất cả các khoảng thời gian khảo sát từ 15 đến 120 phút là cao nhất, đồng thời ở nhiệt độ này hàm lượng protein hòa tan của dịch cũng khá cao. 0 5 10 15 20 50 55 60 65 70 813 Hình 3. Biến đổi hàm lượng protein hòa tan của dịch thuỷ phân theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau Khi thực hiện thuỷ phân gluten lúa mì ở các nhiệt độ 50, 55, 60oC, hàm lượng protein hòa tan sau 60 phút thuỷ phân lần lượt là 35.899, 39.33 và 46.159 g/100g, sau 90 phút lần lượt là 49.105, 52.003, 57.325 g/100g. Khi nhiệt độ tăng đến 65oC thì sau khi thuỷ phân 60 phút nồng độ protein hòa tan là 42.412 g/100g (giảm 3.73 g/100g so với nhiệt độ 60) và tăng đến 70oC thì hàm lượng protein hòa tan là 27.715 g/100g (giảm 18.44 g/100g so với thuỷ phân ở nhiệt độ 60oC). Nhiệt độ thuỷ phân tăng trong một khoảng giới hạn thì hàm lượng protein hoà tan trong dịch thu được cũng tăng do enzyme hoạt động tốt ở nhiệt độ tối thích của nó, số lượng liên kết peptides bị cắt đứt càng nhiều giải phóng ra nhiều peptides mạch ngắn, từ đó cải thiện tính hòa tan của nguyên liệu. Tuy nhiên khi nhiệt độ tăng quá cao thì hàm lượng protein hòa tan lại giảm do phản ứng xúc tác của enzyme bị kìm hãm. Đặc biệt enzyme là những cấu tử nhạy nhiệt, nhiệt độ quá cao rất dễ làm cho enzyme bị vô hoạt [8]. Xét tại cùng một thời điểm sau khi thuỷ phân 120 phút, ta thấy nhiệt độ có ảnh hưởng khá rõ đến hàm lượng protein hòa tan của dịch thuỷ phân (hình 4). Hình 3. Hàm lượng protein hòa tan của dịch thuỷ phân sau 120 phút ở các nhiệt độ khác nhau Số liệu từ hình 4 cho thấy, khi nhiệt độ thuỷ phân tăng từ 50oC lên 60 oC thì hàm lượng protein hòa tan tăng, hàm lượng protein hòa tan sau 120 phút thủy phân là 58.427 g/100g, 60.42 g/100g và 65.322 g/100g. Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ lên 65oC thì hàm lượng protein hòa tan giảm còn 63.586 g/100g và ở 70oC thì hàm lượng protein hòa tan là 41.349 g/100g. Như vậy, khi thuỷ phân ở nhiệt 70oC hàm lượng protein hòa 0 10 20 30 40 50 60 70 0 15 30 45 60 75 90 105 120 H à m l ƣ ợ n g p ro te in h ò a t a n ( g /1 0 0 g ) Thời gian(phút) 50 độ C 55 độ C 60 độ C 65 độ C 70 độ C 0 10 20 30 40 50 60 70 50 55 60 65 70 814 tan thu được trong dịch thuỷ phân là thấp nhất. Có thể nhiệt độ quá cao đã làm cho một phần protein trong enzyme bị biến tính dẫn đến enzyme xúc tác yếu. Nhiệt độ 60oC tỏ ra thích hợp hơn cả cho nâng cao gía trị DH và hàm lượng protein hoà tan. 4. KẾT LUẬN Quá trình thuỷ phân gluten lúa mì bằng Alcalase chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ thuỷ phân. Nhiệt độ 60 o C là nhiệt độ thuỷ phân tối ưu để quá trình đạt mức độ thuỷ phân DH và hàm lượng protein hoà tan cao nhất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alder Nissen. (1986). Enzymatic hydrolysis of food proteins. Elsevier applied science. [2] Anson M.L. (1938). Estimation of pepsin, tripsin, papain, and cathepsin with hemoglobin. J Gen Physiol. V22(1): 79-89. [3] D.kihc Apar, B. (2008). Corn gluten hydrolysis by Alcalase: Effects of process parameter on hydrolysis, solubilizatiom and enzyme inactivation. Chemical Biochemical engeneering, 22(2), 203- 212 [4] K., H. (2002). Official methods of analysis of the Association of Official. AOAC Inc. [5] Kexue Zhu, Huiming Zhou, Haifeng Quin. (2006). Antioxidant and free radical scavenging activities of wheat germ protein hydrolysates prepared with alcalase. Process Biochemistry, 41, 1296-1302. [6] Lowry, O. R. (1951). Protein measurement with folin phenol reagent. Journal Bioltechnology and chemistry, 195, 265-275 [7] Mukhin, V. N. (2001). Enzymatic hydrolysis of proteins from Crustaceans of the Barents Sea. Applied Biochemistry and Microbiology, 37(5), 538-542. [8] Xiangzhen Kong, H. Z. (2007). Enzymatic preparation and functional properties of wheat gluten hydrolysates. Food Chemisty, 615-620.