Nghiên cứu sản xuất đường trehalose từ tinh bột bằng công nghệ enzyme ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm
Trehalose (α -D-glucopyranosyl α -D-glucopyranoside) là đường không khử được cấu tạo từ hai phân tử glucose liên kết với nhau theo liên kết α-1,1-glycosid. Treahlose có tính chất ổn định và là chất bảo vệ chống lại hiện tượng sốc nhiệt, biến tính protein trong quá trình sấy khô/làm lạnh, cung cấp giá trị dinh dưỡng, nâng cao chất lượng và độ ổn định của sản phẩm, đo đó trehalose được sử dụng nhiều và không có giới hạn trong thành phần phụ gia thực phẩm, dược phẩm...
Trong công nghệ sản xuất trehalose, phương pháp biến đổi sinh học bởi enzyme là phương pháp tiếp cận mới và được ưu tiên sử dụng hơn so với phương pháp chiết xuất từ sinh khối vi sinh vật hay thực vật. Một trong những enzyme dùng để sản xuất trehalose quy mô công nghiệp là hệ enzyme gồm maltooligosyl trehalose synthase (MTSase, EC 5.4.99.15) và maltooligosyl trehalose trehalohydrolase (MTHase, EC 3.2.1.141). MTSase xúc tác cho phản ứng thủy phân maltooligosaccharit thành maltooligosyl trehalose bằng chuyển đổi glycosyl hóa nội phân tử, sau đó MTHase thủy phân đặc hiệu maltooligosyl trehalose thành trehalose.
Hiện nay, hai enzyme MTSase và MTHase không xuất hiện trên thị trường dưới dạng thương mại, hai enzyme này được sản xuất độc quyền theo quy trình của Hayashibara sử dụng sản xuất đường trehalose công nghiệp tại Nhật Bản. Do vậy nghiên cứu sản xuất MTSase/MTHase là enzyme được sử dụng để sản xuất đường trehalose là nhu cầu cần thiết. Đặc biệt trên thị trường Việt Nam hiện nay trehalose chủ yếu nhập khẩu từ nước ngoài nên giá thành tương đối cao. Vì vậy, việc nghiên cứu sản xuất enzyme trehalase tái tổ hợp và ứng dụng cho sản xuất đường trehalose không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị kinh tế xã hội.
Xuất phát từ thực tiễn trên, Cơ quan chủ trì Viện công nghệ thực phẩm cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài PGS. TS. Lê Đức Mạnh thực hiện “Nghiên cứu sản xuất đường trehalose từ tinh bột bằng công nghệ enzyme ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm” với mục tiêu: Xây dựng được quy trình công nghệ, mô hình thiết bị và sản xuất được đường trehalose từ tinh bột bằng enzyme tái tổ hợp (MTSase, MTHase) để thay thế sản phẩm ngoại nhập ứng dụng trong công nghiệp chế biến thực phẩm.
Tại Hoa Kỳ, trehalose chỉ được sử dụng trong các sản phẩm kháng thể đơn dòng Herceptin, Avastin, Ucentis và protein tái tổ hợp Advate với hàm lượng 20- 100mg/ml. Tại Nhật Bản, một số sản phẩm thương mại có chứa trehalose như Sawachion, Imidapril và Bio-Three HI, tuy nhiên so với các đường khác như sacharose hoặc mannitol việc sử dụng trehalose trong các sản phẩm dược phẩm thương mại bị hạn chế.
Một trong những dung dịch bảo quản mô ghép hiện nay được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng thành công tại trường Đại học Kyoto là “dung dịch liên bào Kyoto chứa trehalose”. Trong đó, trehalose chiếm hàm lượng lớn trong dung dịch (41 mg/ml, đạt 50% khối lượng dung dịch), có vai trò làm ổn định màng tế bào, hạn chế các tế bào nội mô bị tổn thương do phù nề và do nhiệt độ không ổn định. Hiệu quả của trehalose trong việc cải thiện sự ổn định của các mô phổi do khả năng ổn định màng tế bào, do đó ngăn chặn tổn thương do thiếu máu cục bộ phổi và cần thiết để ké dài thời gian bảo quản ở nhiệt độ thấp.
Ngoài ra, các nghiên cứu trên động vật thấy rằng trehalose có tác dụng tích cực đối với các bệnh thoái hóa thần kinh như bệnh Alzheimer và bệnh Parkinson bởi sự ổn định protein, giảm đông tụ protein. Tuy nhiên, lại không thể quan sát được trên cơ thể người vì trehalose đã bị thủy phân thành hai phân tử glucose trong ruột non.
Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:
Đã nghiên cứu công nghệ tạo chủng tái tổ hợp sinh tổng hợp enzyme MTSase và MTHase.
- Tuyển chọn được 13 chủng trong tổng số 23 chủng vi khuẩn có khả năng sinh tổng hợp enzyme maltooligosyltrehalose trehalohydrolase và maltooligosyltrehalose synthase. Trình tự đoạn gene 16S rRNA có độ tương đồng hơn 99-100% tương ứng với các chủng Pseudomonas và Sulfobolus solfataricus đã đăng kí trên Genbank.
- Nhân dòng thành công 2 gene mth và mts mã hóa cho hai enzyme tương ứng MTHase và MTSase từ chủng Sulfobolus solfataricus. Việc giải trình tự gene mth gồm 1680 bp mã hóa cho 560 amino acid. Trình tự gene mth đã được đăng ký Genbank với mã số MN163002. Đồng thời thành công trong việc tạo dòng gen mã hóa cho enzyme MTSase. Việc giải trình tự gen cho thấy gene mts gồm 2169 bp mã hóa cho MTSase gồm 732 axit amin. Trình tự gene mts đã được đăng ký trên Genbank với mã số MN163003.
Xây dựng quy trình công nghệ và mô hình thiết bị sản xuất chế phẩm enzyme MTSase và MTHase tái tổ hợp quy mô 50 lít lên men/mẻ.
- Đã nghiên cứu điều kiện lên men tổng hợp enzyme tái tổ hợp trên thiết bị 10 lít: môi trường: 7 lít, tiếp giống 5%, tốc độ khuấy: 200 vòng/phút, tốc độ cấp khí: 0,5- 0,7lít khí/lít môi trường/phút, thời gian 32 giờ; Chủng B. subtilis WBpAMTS điều kiện pH 7,0, bổ sung acetoin 0,5% tại 9 giờ lên men; Chủng B. subtilis WBpAMTH: pH 7,5, bổ sung acetoin 0,5% tại 12 giờ lên men. Hoạt tính enzyme MTSase đạt 2910 U/ml MTHase đạt 2835 U/ml.
- Đã nghiên cứu điều kiện lên men tổng hợp enzyme tái tổ hợp trên thiết bị 50 lít/mẻ: môi trường 30 lít, tiếp giống 5%, tốc độ khuấy: 200 vòng/phút, tốc độ cấp khí: 0,5-0,7lít khí/lít môi trường/phút, thời gian 30 giờ. Chủng B. subtilis WBpAMTS pH 7,0, bổ sung acetoin 0,5% tại 8 giờ lên men; Chủng B. subtilis WBpAMTH: pH 7,5, bổ sung acetoin 0,5% tại 10 giờ lên men. Enzyme MTSase đạt 2815 U/ml, MTHase đạt 2803 U/ml.
Đã nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ và mô hình thiết bị sản xuất đường trehalose quy mô 500 kg nguyên liệu/mẻ.
- Đã nghiên cứu công nghệ sản xuất maltooligosaccharit: khảo sát nguồn nguyên liệu và xây dựng tiêu chuẩn nguyên liệu tinh bột sắn sử dụng cho công nghệ sản xuất trehalose từ maltooligosaccharit; điều kiện dịch hóa: tinh bột 30%; enzyme Ban480L 0,3 U/ml so với dịch tinh bột; pH = 6,5 nhiệt độ 70 độ C; thời gian 20 phút, DE dịch hóa đạt 12,5; điều kiện đường hóa: enzyme isoamylase 1,0 U/ml, dịch thủy phân 28ᵒBx, pH 6,5 nhiệt độ 50ᵒC và thời gian 2,5 giờ, DE đường hóa đạt 14,0.
- Đã nghiên cứu công nghệ sản xuất đường trehalose từ maltooligosaccharit: nồng độ dịch cơ chất: 28o Bx; nồng độ enzyme MTSase/MTHase: 20 U/ml; pH = 6,5, nhiệt độ: 55 độ C; bổ sung enzyme CGTase 0,4 U/ml dịch cơ chất sau 8 giờ phản ứng; kết thúc quá trình sau 16 giờ, hàm lượng trehalose đạt 86,2% so với đường tổng.
Ứng dụng sản phẩm trehalose vào sản phẩm sữa chua tại Công ty Cổ phần Sữa Ba Vì.
Đã nghiên bổ sung trehalose để nâng cao chất lượng và độ ổn định của sản phẩm sữa chua: thành phần gồm: đường trehalose 6,0 %; đường kính 4,0 %; sữa bột gầy 10,0 %; sữa tươi; chế phẩm vi khuẩn khởi động 0,03%, điều kiện lên men 42-43 độ C, thời gian 9 giờ, đường trehalose sau quá trình lên men hàm lượng >5,0 %;
- Đã tổ chức sản xuất được 1000 hộp sữa chua có bổ sung trehalose tại Công ty CP Sữa Ba Vì: hàm lượng trehalose sau lên men đạt >5,0%, chỉ tiêu chất lượng đạt TCVN 7030:2016.
Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 18451/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
https://vista.gov.vn/
