Các ứng dụng của enzyme trong công nghệ thực phẩm

Việc sử dụng các enzyme và vi sinh vật trong các quá trình xử lý thực phẩm đã có từ lâu. Với sự phát triển của công nghệ, các loại enzyme mới (với vô vàn những ứng dụng và tính đặc hiệu) được phát triển và các lĩnh vực ứng dụng mới vẫn tiếp tục được nghiên cứu. Các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc, nấm men và các enzyme của chúng được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý thực phẩm để cải thiện mùi vị, cấu trúc và chúng đem lại các lợi ích kinh tế to lớn cho các ngành công nghiệp. Enzyme từ vi sinh vật thì được ứng dụng nhiều hơn từ thực vật và động vật vì một số lợi thế như việc sản xuất dễ dàng hơn, đồng nhất hơn và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn. Dưới đây là bài thảo luận về các tiến bộ hiện nay của công nghệ enzyme trong các ngành công nghiệp thực phẩm.

Các vi sinh vật đã được sử dụng trong lên men thực phẩm từ thời cổ đại và các quá trình lên men vẫn được áp dụng trong giai đoạn đầu của nhiều mặt hàng thực phẩm. Enzyme vi sinh vật đóng vai trò chính trong các ngành công nghiệp thực phẩm vì chúng ổn định hơn enzyme thực vật và động vật. Chúng có thể được sản xuất thông qua các kỹ thuật lên men theo cách tiết kiệm chi phí với yêu cầu ít thời gian và không gian hơn, và vì tính nhất quán cao, việc điều chỉnh và tối ưu hóa quy trình có thể được thực hiện rất dễ dàng. Hầu hết các enzyme này có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau, ví dụ: Enzyme amylolytic được sử dụng trong các ứng dụng trong thực phẩm, chất tẩy rửa, giấy và công nghiệp dệt may. Chúng được sử dụng để sản xuất xi-rô glucose, glucose tinh thể, xi-rô ngô fructose nồng độ cao, xi-rô maltose, vv. Trong công nghiệp chất tẩy rửa, chúng được sử dụng làm chất phụ gia để loại bỏ vết bẩn từ tinh bột. Trong ngành công nghiệp giấy, chúng được sử dụng để giảm độ nhớt của tinh bột cho lớp phủ giấy. Trong ngành dệt, amylase được sử dụng để rũ hồ sợi vải. Tương tự, các enzyme như protease, lipase hoặc xylanase có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thực phẩm.

α-Amylase
α-Amylase  là các enzyme phân giải tinh bột, có khả năng thủy phân các liên kết glycoside của các polysaccarite, dẫn đến việc sản xuất các chuỗi ngắn dextrin. Những enzyme này có mặt rộng rãi trong tất cả các sinh vật sống. Đa số các α-amylase là các metalloenzyme cần các ion canxi để hoạt hóa, tạo sự ổn định cũng như tính toàn vẹn của chúng.

Các ứng dụng rộng rãi của α-amylase trong công nghiệp thực phẩm bao gồm nướng, sản xuất bia, dịch hóa tinh bột cũng như hỗ trợ tiêu hóa. Chúng được sử dụng rộng rãi trong ngành bánh như là một chất tăng cường hương vị và là một nhân tố duy trì độ ẩm và độ mềm mịn (antistaling agent) để cải thiện chất lượng bánh mì. Trong quá trình nướng, α-amylase được thêm vào bột để chuyển đổi tinh bột thành các dextrin nhỏ hơn, sau đó được lên men bởi men. Nó cải thiện hương vị, màu sắc vỏ và chất lượng bánh mì nướng.

α-Amylase cũng được sử dụng trong sản xuất các dextrin phân nhánh có khối lượng phân tử cao. Chúng được sử dụng như một chất phủ chống mất nước (glazing agent) để sản xuất bánh gạo và các loại thực phẩm dạng bột. Trong ngành công nghiệp tinh bột, α-Amylase cũng được ứng dụng trong quá trình dịch hóa, giúp chuyển hóa tinh bột thành xi-rô glucose và fructose. Chuyển đổi tinh bột bằng enzyme bao gồm ba bước: hồ hóa, dịch hóa và đường hóa. Sự hồ hóa liên quan đến sự hình thành huyền phù nhớt bằng cách hòa tan các hạt tinh bột. Tiếp theo là quá trình hóa lỏng, làm giảm độ nhớt và liên quan đến quá trình thủy phân một phần. Glucose và maltose được tạo ra thêm bằng quá trình đường hóa. Điều này đòi hỏi các enzyme phải chịu nhiệt cao và hầu hết quá trình đường hóa tinh bột được thực hiện bởi các α-amylase từ Bacillus amyloliquefaciencs, Bacillus stearothermophilus hoặc Bacillus licheniformis.

Để sản xuất ethanol, tinh bột được chuyển đổi thành đường lên men nhờ tác dụng của α-amylase và quá trình lên men từ đường thành rượu được thực hiện bởi Saccharomyces cerevisiae. Các ứng dụng khác của α-amylase bao gồm làm trong nước ép trái cây, được dùng với cellulase và pectinase để cải thiện năng suất và mang lại hiệu quả về kinh tế.

Glucoamylase
Glucoamylase (EC 3.2.1.3) là các enzyme xúc tác quá trình thủy phân tinh bột polysacarite từ đầu không khử, giải phóng β-glucose. Chúng cũng được gọi là enzyme đường hóa và được có mặt rộng rãi trong tất cả các sinh vật sống. Các enzyme này được sản xuất chủ yếu bởi Aspergillus niger và Aspergillus awamori, nhưng enzyme được sản xuất bởi Rhizopus oryzae được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng công nghiệp. Đa số các glucoamylase ổn định ở nhiệt độ thấp. Ở nhiệt độ cao hơn, chúng mất hoạt tính do thay đổi về hình dạng. Glucoamylase có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, chẳng hạn như để sản xuất xi-rô có hàm lượng glucose cao và xi-rô có hàm lượng fructose cao. Chúng cũng được ứng dụng trong ngành công nghiệp làm bánh để cải thiện chất lượng bột, giảm tình trạng bột nhào bị khô cứng, cũng như cải thiện màu vỏ bánh và chất lượng của các sản phẩm nướng có chất xơ cao. Glucoamylase chuyển đổi tinh bột có trong bột thành đường maltose và đường lên men. Những enzyme này cũng được sử dụng để sản xuất glucose, khi lên men với Saccharomyces cerevisiae tạo ra ethanol. Glucoamylase đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất rượu sake và nước tương, cũng như sản xuất bia ít cồn. Glucoamylase chuyển hóa các dextrin và chuyển đổi chúng thành các loại đường lên men với giá trị năng lượng và nồng độ cồn trong bia giảm.

Protease
Protease là các enzyme xúc tác cho quá trình thủy phân các liên kết peptide có trong protein và polypeptide. Chúng được sử dụng rộng rãi trong chất tẩy rửa và dược phẩm, tiếp theo là công nghiệp thực phẩm. Chúng đại diện cho 60% enzyme công nghiệp trên thị trường. Nhu cầu toàn cầu về thị trường enzyme protease đã tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 5,3% trong giai đoạn 2014-2019. Nhu cầu của chúng dự kiến ​​sẽ tăng hơn nữa khi chúng được phát hiện các ứng dụng trong chế biến da cũng như các quy trình xử lý sinh học. Protease có thể được phân loại dựa trên nguồn gốc, hoạt tính xúc tác và bản chất của nhóm phản ứng trong vị trí xúc tác. Các nguồn chính của enzyme protease là động vật, thực vật và vi sinh vật (cả vi khuẩn và nấm). Protease được chia thành hai nhóm: exopeptidase và endopeptidase, dựa vào vị trí hoạt động trên chuỗi polypeptide. Các exopeptidase hoạt động ở đầu của chuỗi polypeptide và endopeptidase hoạt động ngẫu nhiên ở các vùng bên trong của chuỗi polypeptide. Các endopeptidase được phân loại thành sáu nhóm, dựa trên dư lượng xúc tác có trong vị trí hoạt động: serine, aspartic, cysteine, metallico, glutamic acid và threonine protease. Các protease thực vật như bromelain, ficin và papain được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm cho các ứng dụng khác nhau như sản xuất bia, làm mềm thịt, đông tụ sữa và làm chất hỗ trợ tiêu hóa. Ngoài ra, protease cũng được sử dụng để cải thiện hương vị, giá trị dinh dưỡng, độ hòa tan và khả năng tiêu hóa của protein thực phẩm cũng như để biến đổi các protein như quá trình đông tụ và nhũ hóa. Protease được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp làm bánh để sản xuất bánh mì, thực phẩm nướng, bánh quy giòn và bánh quế. Các enzyme này được sử dụng để giảm thời gian trộn, giảm độ đặc và độ đồng đều của bột, điều chỉnh độ bền gluten trong bánh mì và để cải thiện kết cấu và hương vị. Protease từ Aspergillus usamii đã được sử dụng thành công để cải thiện các tính chất chức năng của gluten lúa mì. Việc bổ sung protease có thể giải phóng đủ lượng peptide và axit amin trong wort để có được một quá trình lên men thích hợp. Protease từ nấm có tính axit được sử dụng trong việc cải thiện quá trình lên men bia vì chúng có hiệu quả ngay cả ở độ pH thấp bằng cách cân bằng cấu hình axit amin của bia. Một ứng dụng chính khác của protease có liên quan đến ngành công nghiệp sữa. Protease đóng góp đáng kể vào các đặc tính hương vị của phô mai. Chúng được sử dụng để tăng tốc độ chín của phô mai, để biến đổi các tính chất chức năng và giảm các đặc tính gây dị ứng của các sản phẩm sữa. Trong sản xuất phô mai, protease cũng được sử dụng để thủy phân liên kết peptide cụ thể để tạo ra paracasein và macropeptide.

Lipase
Lipase là enzyme xúc tác quá trình thủy phân các chất béo chuỗi dài. Chúng có mặt tự nhiên trong dạ dày và tuyến tụy của người và các loài động vật khác để tiêu hóa chất béo và lipid. Lipase vi sinh vật được sản xuất bởi vi khuẩn, nấm và nấm men. Enzyme vi sinh vật đóng góp vào khoảng 90% thị trường lipase toàn cầu. Enzyme này được ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau bao gồm thực phẩm, nhiên liệu sinh học, chất tẩy rửa và thức ăn chăn nuôi. Nó cũng được sử dụng trong các ứng dụng xử lý da, dệt và giấy. Trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống, lipase được ứng dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp sữa, làm bánh, nước ép trái cây, bia và rượu vang. Mặc dù tìm thấy nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, thị phần của lipase chỉ chiếm chưa đến 10% thị trường enzyme công nghiệp toàn cầu.

Lipase thương mại chủ yếu được sử dụng để phát triển hương vị trong các sản phẩm sữa và chế biến các thực phẩm khác có chứa chất béo. Chúng có thể cải thiện hương vị đặc trưng của phô mai bằng cách tác động lên các chất béo sữa để tạo ra các axit béo tự do sau khi thủy phân. Các loại phô mai khác nhau có thể được tạo ra bằng cách sử dụng lipase từ nhiều nguồn khác nhau, ví dụ: Phô mai Romano sử dụng lipase từ dạ dày trước của cừu, phô mai Camembert sử dụng lipase từ Penicillium camemberti và phô mai cheddar sử dụng Aspergillus niger hoặc A. oryzae. Sự xúc tác của lipase có thể cải thiện cấu trúc và độ mềm của phô mai. Lipase cũng được sử dụng làm chất cải thiện hương vị trong bơ và bơ thực vật, cũng để kéo dài thời hạn sử dụng của các sản phẩm nướng khác nhau. Trong thức uống có cồn như rượu vang, mùi thơm có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng lipase. Chúng được sử dụng để cải thiện chất lượng bơ ca cao, có nhiệt độ nóng chảy 37 ° C do sự hiện diện của axit palmitic và stearic và có thể dễ dàng tan chảy ở 37 ° C. Một bằng sáng chế đã được Unilever nộp bằng cách sử dụng lipase cố định từ Rhizopus miehei, có thể thay thế acid palmitic bằng axit stearic để tạo ra triglyceride stearic-oleic-stearic. Các phenol có chức năng được ester hóa để tổng hợp các chất chống oxy hóa lipophilic được ứng dụng trong dầu hướng dương sử dụng lipase cố định từ Candida antarctica (CALB), Candida xiindracea Ay30, Helvina lanuginosa, Pseudomonas sp. và Geotrichum candum. Lipase cũng được ứng dụng như một cảm biến sinh học trong ngành công nghiệp thực phẩm. Lipase cố định đã được sử dụng thành công để xác định thuốc trừ sâu phospho hữu cơ với cảm biến trở kháng sóng âm bề mặt bằng cách thủy phân lipase. Nó cũng có thể được sử dụng trong việc xác định triglyceride và cholesterol trong máu nếu lipase được cố định vào các điện cực pH / oxy kết hợp với glucose oxidase. Các lipase vi sinh vật như lipase từ Candida rugosa có nhiều ứng dụng cái mà không thể được đáp ứng bằng tổng hợp hóa học. Lipase được ứng dụng trong sản xuất kem, protein đơn bào, ester carbohydrate và các dẫn xuất axit amin. Ngoài ra, lipase cũng có thể được sử dụng để xử lý các dòng chất thải khác nhau, cái mà thải ra từ các ngành công nghiệp thực phẩm.

Pectinase
Pectinase là các enzyme xúc tác cho quá trình thủy phân các liên kết glycoside trong các chuỗi polymer pectic. Các chất pectic có trong cà chua, dứa, cam, táo, bột chanh, vỏ cam và các loại trái cây khác có vai trò là chất nền tự nhiên cho enzyme này. Các pectinase có thể được phân loại thành polygalacturonase (thủy phân liên kết hydrolyse glycosidic α- (1-4)), pectin esterase (loại bỏ các nhóm acetyl và methoxyl khỏi pectin), pectin lyase và pectate lyase. Pectinase có thể được sản xuất từ ​​các vi khuẩn tự nhiên cũng như tái tổ hợp với những nỗ lực được thực hiện để tăng khả năng điều nhiệt và năng suất của chúng. Pectinase cũng có thể hoạt động trên các vùng pectin mịn hoặc có lông. Dựa trên pH, có các pectinase có tính axit và kiềm nằm trong nhóm endopectinase khi enzyme phân cắt ngẫu nhiên và exopectinase khi chỉ phân cắt ở đầu và cuối chuỗi.

Pectinase tìm thấy vô số ứng dụng công nghiệp như tẩy trắng giấy, công nghiệp thực phẩm, quá trình xử lý, v.v… Nước ép có thêm pectinase có vẻ ngoài trong hơn so với các loại không có enzyme. Ngoài việc giảm độ đục và tạo khói cho các loại nước ép trái cây có nguồn gốc tự nhiên như táo và chuối, pectinase còn cải thiện màu sắc và hương vị của đồ uống. Việc bổ sung gelatin và pectin làm tăng đáng kể độ nhớt và độ đục của nước ép, và loại bỏ khói mù là phần tốn kém nhất trong sản xuất nước ép. Việc sử dụng các enzyme sinh học như pectinase trong nước ép sẽ hoạt động tốt hơn gần chín lần so với phương pháp cơ học để có kết quả tốt.

Nguồn: Food Technol Biotechnol. 2018 Mar