MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Trong mấy chục năm cuối của thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI, người ta đã chú ý nghiên cứu việc ứng dụng enzyme. Người ta đã tận dụng các nguyên liệu giàu enzyme để tách enzyme, dùng chế phẩm enzyme này để chế biến các nguyên liệu khác nhau hoặc sử dụng vào mục đích khác nhau. Ở nhiều nước đã hình thành ngành công nghệ enzyme, hàng năm đã sản xuất hàng trăm tấn chế phẩm enzyme để phục vụ cho các ngành sản xuất khác nhau và cho y học. Công nghệ enzyme càng ngày càng phát triển mang lại nhiều ứng dụng mới và mang lại lợi nhuận kinh tế cao, đạt hơn 40 triệu USD/năm (2008). Vì vậy, chúng tôi tìm hiểu về ENZMYE CÔNG NGHIỆP VÀ ỨNG DỤNG, để làm rõ hơn về cấu trúc, vai trò cũng như ứng dụng cụ thể của những enzyme được sử dụng phổ biến trong công nghiệp hiện nay. Giúp cho các bạn có cái nhìn tổng quan hơn về enzyme, biết rõ những ứng dụng, những kết quả đã đạt được của công nghệ enzyme. Đồng thời cũng các bạn giúp định hướng rõ các hướng nghiên cứu về enzyme. Trong quá trình tìm hiểu và trình bày cũng không thể tránh hỏi những thiếu sót, mong nhận được sự đóng góp của cô và các bạn! Chân thành cảm ơn! 2 ENZYME CÔNG NGHIỆP VÀ ỨNG DỤNG I. Khái quát về enzyme Từ thời cổ xưa người ta đã dùng nước ép trái nho để lên men rượu cũng như chứa sữa tươi trong dạ dày của súc vật mới bị giết để chuyển hóa thành phomat. Tuy nhiên đó chỉ là những phát hiện tình cờ, chẳng ai biết rằng có sự giúp đỡ âm thầm của một loại enzyme tiết ra bởi vi khuẩn hiếu khí từ không khí rơi vào hũ nho để mở cũng như một loại enzyme khác đó là renin trong dạ dày của súc vật. Năm 1897, E.Bucher thu dịch nấm men nghiền nát và thấy hoạt tính lên men rượu của nó. Ông gọi chúng là enyme. Enzyme có thể thu nhận từ các cơ thể sống khác nhau như động vật, thực vật, vi sinh vật ( pepsin trong dạ dày, trypsin trong tụy tạng, renin trong ngăn tứ 4 của dạ dày bê, bromelin trong thơm, papin trong đu đủ, amilaza trong thóc ẩm). Nguồn enzyme quan trọng hiện nay lấy từ vi sinh vật. Enzyme là chất xúc tác sinh học được hình thành trong tế bào dưới dạng hợp chất protein có cấu trúc hóa học rất đặc thù. Trong tế bào sinh vật luôn xảy ra quá trình trao đổi chất, enzyme đã góp phần thúc đẩy các phản ứng hóa học này ở điều kiện đẳng nhiệt, đẳng áp với tốc độ nhanh, hiệu qur cao, nhiều phản ứng xảy ra đồng thời, ít tiêu tốn năng lượng… Enzyme trong cơ thể sinh vật với chức năng là xúc tác chọn lọc, đóng vai trò định hướng tất cả mọi phản ứng xảy ra trong tế bào. Khi ở ngoài tế bào nhiều enzyme vẫn có khả năng hoạt động tương tự. Chính vì lý do đó khi tách được các enzyme khỏi cơ thể sống ở mức độ thuần khiết khác nhau người ta có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Về tính chất, enzym có bản chất là protein nên có tất cả thuộc tính lý hóa của protein. Đa số enzym có dạng hình cầu và không đi qua màng bán thấm do có kích thước lớn; Tan trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực khác, không tan trong ete và các dung môi không phân cực; Không bền dưới tác dụng của nhiệt độ, nhiệt độ cao thì enzym bị biến tính; Môt trường axít hay bazơ cũng làm enzym mất khả năng hoạt động; Có tính lưỡng tính: tùy pH của môi trường mà tồn tại ở các dạng: cation, anion hay trung hòa điện. 3 Enzyme có tính đặc hiệu: − Đặc hiệu phản ứng: chỉ biểu hiện với một loại liên kết hóa học nhất định, như lipase chỉ cắt liên kết ester nối glycerol và acid béo của nhiều loại lipid khác nhau… − Đặc hiệu cơ chất: thể hiện chuyên biệt cho những cơ chất nhất định, như urease chỉ thủy phân urea thành ammonia và CO 2 nhưng không tác dụng với các chất khác… Trung tâm hoạt động của enzyme: Trong quá trình xúc tác của enzym chỉ có một phần tham gia trực tiếp vào phản ứng để kết hợp với cơ chất gọi là "trung tâm hoạt động". − Cấu tạo đặc biệt của trung tâm hoạt động quyết định tính đặc hiệu và hoạt tính xúc tác của enzyme. − Nhóm chức tham gia tạo trung tâm hoạt động cần phân biệt hai nhóm: "tâm xúc tác" (tham gia trực tiếp vào hoạt động xúc tác của enzym) và "nền tiếp xúc" (giúp enzym kết hợp đặc hiệu với cơ chất) − Một enzym có thể có 2 hoặc nhiều trung tâm hoạt động, tác dụng của các trung tâm hoạt động không phụ thuộc vào nhau. − Các cơ chất kết hợp với trung tâm hoạt động tạo phức hợp enzyme -cơ chất (ES) : E + S → ES→ ES++ → E + P S:cơ chất; P:sản phẩm E và S phải bổ sung về mặt không gian và hợp nhau về mặt hóa học, có khả năng hình thành nhiều liên kết yếu với nhau. Chúng liên kết sao cho có thể tạo ra và cắt đứt sự dính nhau được gây nên do biến động nhiệt ngẫu nhiên ở nhiệt độ thường. Enzyme có nhiều cách gọi tên. Ngày nay đã biết được khoảng 3000 enzyme và phân thành 6 nhóm dựa vào loại phản ứng mà chúng xúc tác: − Oxydo-reductase: xúc tác cho phản ứng oxy hóa- khử, có các enzyme như: dehydrogenase, oxydase, cytochromreductase, peroxydase… − Transferase: xúc tác cho phản ứng chuyển vị, có các enzyme như: transaminase, methyltransferase, các kinase. − Hydrolase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân, có các enzyme phân giải este, lipid, glucozid, amid, peptid, protein − Lyase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng phân cắt không cần nước, loại nước tạo thành nối đôi hoặc kết hợp phân tử nước vào nối đôi. Có các enzyme như hydratase, aldolase, decarboxylase và một số desaminase. 4 − Isomerase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa. − Ligase: Các enzyme xúc tác cho phản ứng tổng hợp có sử dụng liên kết giàu năng lượng ATP. v.v Nhờ sử dụng enzyme trong sản xuất đã mang lại hiệu quả cao, tiết kiệm thời gian và chi phí, tạo ra được nhiều sản phẩm mới chất lượng cao và thân thiện với môi trường. Vì vậy, thị trường sản xuất enzyme đang phát triển mạnh trên toàn thế giới. Sản lượng và giá bán tương đối cảu các enzyme chủ yếu Loại enzyme Sản lượng (tấn/ năm) Giá bán ( kg) - Amilase và Glucoamylase 50000 2-3 USD/kg Rennin 10000 3-4 USD/kg Pectinase 5000 5 USD/kg Protease 8000 10 USD/kg Glucoisomerase 2000 30USD/kg Các enzyme tinh 0,1 10000 USD/kg II. Các loại enzyme công nghiệp và ứng dụng 1. Amylase: gồm 2 nhóm chính: • Endoamylase : là nhóm enzyme nội bào, thủy giải các liên kết trong chuỗi polysaccharide • Exoamylase : là nhóm enzyme ngoại bào, thủy phân tinh bột từ đầu không khử của chuỗi polysaccharide. 5 Được phân loại cụ thể như sau:  Ứng dụng của enzyme amylase trong y học và dược phẩm  Sự tiêu hóa tinh bột: α amylase Tinh bột Dextrin + maltose + glucose Thủy phân α-1,4 của amylose α -1,6 glucosidase Dextrin Maltose + glucose Thủy phân α-1,6 của amylospectin α glucosidase (maltase) Maltose 2 glucose β glucosidase (lactase) Lactose Glucose + galactose β fructofuranisidase (sucrase) Suctose Glucose + fructose 6 - Enzyme amylase phân giải carbonhydrat có trong thực phẩm nhằm cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của cơ thể. - Sản phẩm chữa men tiêu hóa dành cho trẻ sơ sinh và trẻ em, kích thích tiêu hóa, chống suy dinh dưỡng và các sản phẩm cùng loại: minigadine, trymo, calcinol_RB, calciol 100 Hình 1: Các sản phẩm sử dụng enzyme amylase.  Ứng dụng trong y dược. - Nguồn thu nhận: vi khuẩn Bacillus subtilis. - Ưu điểm là bền hơn trong môi trường acid của dạ dày so với diastase (amylase) lấy từ động vật và vi nấm. Amylase được sử dụng: + Phối hợp với coenzyme A, cytocrom C, ATP, carboxylase để chế thuốc điều trị bệnh tim mạch, bệnh thần kinh. + Phối hợp với enzyme thủy phân để chữa bệnh thiếu enzyme tiêu hóa. Trong cơ thể enzyme amylase là hormon tuyến tụy ngoại tiết có tác dụng chống phù nề sau chấn thương hoặc sau mổ. Điều trị triệu chứng phản ứng viêm kèm nhiễm khuẩn đường hô hấp trên hoặc dưới. Các sản phẩm chứa emzyme α-amylase có tác dụng kiểm soát lượng calo của cơ thể. - Sử dụng enzyme amylase trong chuẩn đoán bệnh viêm tủy cấp ở trẻ em: 7 Dựa vào các biểu hiện của enzyme amylase người ta tiến hành nghiên cứu chuẩn đoán bệnh viêm tuyến tụy. khi nghiên cứu nhận thấy: khi lựa chọn điểm cắt thích hợp và phối hợp cả hai enzyme s-amylase + lipre hoặc p-amylase + lipre trong chuẩn đoán viêm tụy cấp ở trẻ em thì độ chính xác là cao nhất. - Thuốc, hóa chất chứa hoạt tính enzyme amylase phục vụ nuôi trồng thủy sản: Enzyme amylase thường được bổ sung trong thành phần các hợp chất hóa học nhằm cải tạo ao hồ, kích thích tăng trưởng và phát triển mạnh của động vật thủy sản ở các giai đoạn mong muốn. + Cá ăn thực vật:enzyme amylase phân giải tinh bột có trong thức ăn của cá: cỏ, khoai lang, khoai mì… + Cá ăn thịt động vật: enzyme amylase phân giải glycogen hay glucid ở tế bào động vật. Hình 2: Thuốc, hóa chất chứa hoạt tính enzyme amylase phục vụ nuôi trồng thủy sản. 2. Protease Protease là các enzyme xúc tác sự thủy phân liên kết peptit (CO-NH) trong phân tử protein và các cơ chất tương tự. Theo phân loại quốc tế các enzyme thuộc nhóm này chia thành 4 phân nhóm phụ: 8 - Aminopeptidase: xúc tác sự thủy phân liên kết peptit ở đầu nitơ của mạch polypeptit. - Cacboxypeptidase: xúc tác sự thủy phân liên kết peptit ở đầu cacbon của mạch polypeptit. Cả hai phân nhóm enzyme trên đều là các exo – peptidase. - Dipeptidhydrolase: Xúc tác sự thủy phân các liên kết dipepit. - Proteinase: Xúc tác sự thủy phân các liên kết peptid nội mạch. Protease trong vi sinh vật là nguồn thu nhận chính hiện nay. Protease trong sinh vật được chia làm 4 nhóm chính và chúng có những đặc điểm thể hiện ở bảng sau: Bảng 1. Một số tính chất của Protease (P) vi sinh vật 9 10 Nhóm Nguồn thu nhận Chất kìm hãm Đặc điểm TTHĐ pH tối thích P- Xerin Bac.subtilis Bac.pumilus Str.griseus Str.fradiae Art hrobacter B22 Asp.oryzae Asp.flavus Asp.sojae E.coli DFP + Xerin Kiềm P-tiol Streplococcus Clostridium histoly-ticum Indoaxeta-mit Ps.cloromer- curbenzoat -SH 7,5 7,0 P-kim loại Bac.subtilus Bac.subtilus NRRL B3411 Bac. Subtilisamy Losaccarilicis Bac. Megaterium Psuedomonasaeruginoa Atreptomeces naraensis Asp. Oryzae Acremonium kiliense Clostridiumhisttolytium EDTA ++ 1,10octa-fenantrolin Kim loại hóa trị hai Trung tính P-Acid Asp.niger Asp.Awamori Sailoi,penicillium Janthinellum Rhizopus chinensis Mucor pucillus Endothia parasilica Dizoaxetil Dlnorlox-inmetil este COOH Acid [...]... tác dụng của enzyme Đồng thời cũng cần nghiên cứu sự tiến hóa của enzyme liên quan với sự phát sinh và tiến hóa của sự sống 5) Nghiên cứu tính đặc hiệu của các enzyme 6) Nghiên cứu cải tiến phương pháp và kỹ thuật thực nghiệm mới của hóa lý, sinh học vào nghiên cứu enzyme để thúc đẩy sự phát triển của enzyme học 7) Nghiên cứu enzyme ứng dụng trong thực tế nhằm mục đích hạ giá thành, tăng độ bền của. .. và hóa học đối với hoạt động của enzyme 3) Làm sáng tỏ bản chất của quá trình xúc tác của enzyme và cơ chế tác dụng của nó Ở đây cần xem xét mối liên quan giữa cấu trúc và chức năng của protein enzyme có khả năng xúc tác (ví dụ trong một số trường hợp xem trung tâm hoạt động của enzyme ở chỗ nào để tổng hợp ở phần đảm bảo chức năng của nó: papain ở trung tâm hoạt động của enzyme có nhóm SH ở 1/3 phân... 20  Ứng dụng của lipase trong sản xuất chất tẩy rửa Bột giặt hay các chất tẩy rửa là những thương phẩm thông dụng và thiết yếu hằng ngày đối với mỗi cá nhân Công nghệ sinh học cũng được đưa và trong nghiên cứu và sản xuất chất tẩy rửa nhằm tạo ra chất lượng, tác dụng của sản phẩm tốt hơn , đặc biệt là giảm khả năng gây ô nhiễm môi trường Enzyme được đưa vào trong các chất tẩy rửa đế tạo nên những. .. tham gia phân giải pectin thành acid pectic và methanol Hiệu suất thủy phân pectin của enzyme này rất cao, có thể đạt 98% Pectinesterase của nấm sợi hoạt động mạnh ở pH 3-5 Cả 2 loại pectinase này đều biến tính ở 800C Enzyme pectinase được ứng dụng chủ yếu để phá vỡ thành tế bào của quả, giải phóng các chất có trong tế bào của quả ra ngoài và đồng thời làm làm trong và ổn định chất lượng nước quả Việc... lớp keo ở trên bề mặt của hạt cà phê Trước đây người taCà phê ngay vi sinh vật để làm việc này, nhưng dùng tươi thường quá trình xảy ra không đồng đều và khó kiểm tra Hiện nay, người ta thường dùng các chế phẩm pectinase Thu nhận, phân loại  ứng dụng của pectinase trong sản xuất cà phê Trong kỹ thuật vỏ biến cà phê hiện nay có 2 phương pháp chính là chế biến Xát chế khô và chế biến ướt Tuy nhiên xử... phẩm sẽ bị cứng do không trương nở hết Sử dụng protease giúp cho lông tẩy trong thời gian ngắn hơn và sạch hơn cùng với vôi nước được sử dụng để tẩy lông đồng thời loại bỏ 1 số chất đạm, sợi trong da và thay đổi ít nhiều cấu trúc của da để da sẽ thẩm thấu tốt hơn những hóa chất sẽ được sử dụng trong công đoạn kế tiếp Tiếp theo, da được phơi ráo nước, bôi dầu, phơi khô, nhào cho mềm và đều dầu, cán... sạch khác nhau, nghiên cứu cấu trúc, mối liên quan giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học của enzyme, khả năng ứng dụng enzyme trong thực tế Nghiên cứu về công nghệ enzyme đã được tiến hành bởi nhiều tác giả như sử dụng phủ tạng của lò mổ để sản xuất pancrease, pepsin, trypsin sử dụng mầm mạ để sản xuất amylase Đã có những thử nghiệm công nghệ như sản xuất amino acid từ nhộng tằm bằng protease, bột protein... tối ưu hóa được Các sản phẩm sử dụng enzyme công nghiệp sẽ sạch hơn, chất lượng hơn, hiệu quả hơn so với các công nghệ truyền thống vì vậy, enzyme công nghiệp được ứng dụng rộng rãi và mang lại lợi nhuận cao 23 Bảng 2 Giá trị enzyme đối với các ngành công nghiệp (năm 2008) Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu về enzyme, các hướng nghiên cứu và phạm vi của những vấn đề enzyme học có thể được tóm... cấu trúc phân tử của chúng, người ta đang cố gắng hoàn thiện những phương pháp tách và tinh chế enzyme Nhờ vậy có thể nhận được các chế phẩm enzyme có độ tinh khiết cao để có thể dùng cho việc nghiên cứu những tính chất cơ bản và có thể sử dụng trong y học như dung sắc ký ái lực, sắc ký hấp phụ lựa chọn… 2) Nghiên cứu điều kiện và tốc độ tác động của các enzyme cũng như ảnh hưởng của các yếu tố vật... ứng dụng của protease trong công nghiệp thuộc da Da thuộc là một dạng vật liệu bền và dẻo được chế biến thông qua quá trình thuộc da của da động vật, như da bò, trâu, dê, cừu non, nai, cá sấu, đà điểu, v.v , nhưng thông dụng nhất là da bò Da thuộc có thể được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau, ở quy mô . ứng dụng cụ thể của những enzyme được sử dụng phổ biến trong công nghiệp hiện nay. Giúp cho các bạn có cái nhìn tổng quan hơn về enzyme, biết rõ những ứng dụng, những kết quả đã đạt được của. nhiều ứng dụng mới và mang lại lợi nhuận kinh tế cao, đạt hơn 40 triệu USD/năm (2008). Vì vậy, chúng tôi tìm hiểu về ENZMYE CÔNG NGHIỆP VÀ ỨNG DỤNG, để làm rõ hơn về cấu trúc, vai trò cũng như ứng. phân pectin của enzyme này rất cao, có thể đạt 98%. Pectinesterase của nấm sợi hoạt động mạnh ở pH 3-5. Cả 2 loại pectinase này đều biến tính ở 80 0 C. Enzyme pectinase được ứng dụng chủ yếu