Nghiên cứu tác động cùa sóng siêu âm đến enzyme người ta nhận thấy rằng: sóng siêu âm không chỉ có khả năng làm tăng hoạt tính enzyme, vô hoạt enzyme mà trong một số trường hợp hoạt tính
Trang 1Tác động của sóng siêu âm đến hoạt tính enzyme trong công nghê thực phẩm
Đăng ngày: 23:36 07-08-2009
Sóng siêu âm là tên gọi của những sóng có tần số cao hơn
18 kHz Sử dụng sóng siêu âm năng lượng cao trong công nghệ thực phẩm ngày càng được khảo sát tỉ mỉ Phần lớn các nghiên cứu đều áp dụng tần số sóng trong khoảng từ 20 kHz đến 40 kHz.Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường chất lỏng, các chu trình kéo và nén liên tiếp được tạo thành Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờ liên kết hóa học Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần nhau nhau hơn và trong chu trình kéo chúng bị tách ra xa Áp lực
âm trong chu trình kéo đủ mạnh để thắng các lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ
Trong suốt chu trình kéo/nén bọt khí kéo giãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được cân bằng hơi nước ở bên trong và bên ngoài bọt khí Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình kéo lớn hơn trong chu trình nén vì vậy sự khuyếch tán khí trong chu trình kéo lớn hơn và kích cỡ bọt khí cũng tăng lên trong mỗi chu trình Các bọt khí lớn dần đến một kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ để duy trì pha khí khiến các bọt khí nổ tung dữ dội Khi đó các phân tử va chạm với nhau mãnh liệt tạo nên sự sốc sóng trong lòng chất lỏng, kết quả là hình thành những điểm
có nhiệt độ và áp suất rất cao (50000C và 5x104kPa) với vận tốc rất nhanh 106 oC/s
Trang 2Enzyme là một đối tượng quan trọng trong công nghệ thực phẩm
do khả năng xúc tác đặc hiệu, điều kiện phản ứng ôn hoà và an toàn Nghiên cứu tác động cùa sóng siêu âm đến enzyme người
ta nhận thấy rằng: sóng siêu âm không chỉ có khả năng làm tăng hoạt tính enzyme, vô hoạt enzyme mà trong một số trường hợp hoạt tính enzyme không hề bị thay đổi
Ở năng lượng tương đối thấp, khi mà các tác động vật lý tỏ ra ưu thế hơn các tác động hoá học thì sóng siêu âm có tác dụng làm tăng hoạt tính của enzyme
Đối với chế phẩm enzyme, sóng siêu âm làm tăng hoạt tính của nhóm enzyme hydrolase do làm tăng sự đảo trộn từ đó:
· Hình thành phức chất hoạt động enzyme-cơ chất
· Các chất khuyếch tán tốt hơn
Trang 3· Giảm sự kết tụ enzyme
Đối với enzyme thuỷ phân ở dạng thô, sóng siêu âm có tác dụng
· Phá vỡ tế bào, giúp enzyme thoát ra ngoài tế bào, tiếp xúc với cơ chất dễ dàng hơn và do đó hiệu suất thuỷ phân sẽ cao hơn
· Thúc đấy quá trình trao đổi chất, sinh tổng hợp nhiều
enzyme hơn
Tuỳ vào bản chất của enzyme mà sóng siêu âm sẽ tăng hoạt tính của chúng ở nồng độ cao hay thấp; các thông số tối ưu như nhiệt
độ, pH có thay đổi hay không
Ở năng lượng cao, sóng siêu âm vô hoạt enzyme chủ yếu thông qua tác động hoá học Các gốc tự do tạo thành từ sự phân ly nước tương tác với enzyme, chuyển enzyme thành gốc tự do mới
và do đó làm thay đổi cấu trúc của enzyme Sự thay đổi đó không hẳn chỉ diễn ra ngay tại trung tâm hoạt động mới làm vô hoạt enzyme mà nó có thể diễn ra tại một điểm nằm ngoài trung tâm hoạt động nhưng vẫn có khả năng vô hoạt enzyme như trường hợp của α-chymotrypsin khi gốc tryptophan-215 bị phá huỷ còn trung tâm hoạt động vẫn nguyên vẹn Tuỳ vảo đặc điểm của từng enzyme mà OH● sẽ tấn công vào nhóm –SH tự do của cystetin, vào amino acid có vòng thơm (phenylalanin, histidine, tryptophan, tyrosine) hay vào amino acid không có vòng thơm (proline,
leucine, isoleucine, lysine, và glutamic)
Bên cạnh đó, sóng siêu âm cũng gây ra những tác động vật lý làm
vô hoạt enzyme Các vi tia chất lỏng được tạo thành từ sự vỡ bất đối xứng của bọt khí, lực kéo trong lòng chất lỏng và những vi xoáy tạo thành đã làm xáo trộn môi trường xung quanh enzyme, phá vỡ tính nguyên vẹn trong cấu trúc protein Gradient áp suất cao có thể khiến cho phân tử protein bị vỡ ra thành từng mảnh và gradient nhiệt độ lớn có thể bẽ gãy các liên kết hydro trong phân
tử protein, gây tương tác kỵ nước và biến tính nhiệt
Vô hoạt enzyme bằng sóng siêu âm phụ thuộc vào thời gian
truyền sóng, pH môi trường, tần số và cường độ sóng, bộ phận truyền sóng và hàm lượng khí tan trong môi trường Khi sóng siêu
âm kết hợp với xử lý nhiệt ở một nhiệt độ đủ lớn để gây vô hoạt enzyme thì sẽ diễn ra tác động tương hỗ giữa sóng và nhiệt độ làm cho sự vô hoạt trở nên hiệu quả hơn Năm 1984, Ordónez, Sanz, Hernández và López-Lorenzo nghiên cứu sự kết hợp giữa nhiệt độ và sóng siêu âm và đã nhận thấy rằng hiệu quả của
Trang 4phương pháp này cao hơn so với tổng tác động mà từng yếu tố gây ra.Nó có khả năng vô hoạt được peroxidase, catalase, những enzyme tự nhiên có trong sữa mà không hề làm casein biến
tính[25] Năm 1999, De Genaro, Cavella, Romano và Masi đã sử dụng kết hợp áp suất, nhiệt độ và sóng siêu âm để vô hoạt
peroxidase, phương pháp này gọi là manothermosonication
(MTS) MTS tỏ ra là một công cụ vô hoạt enzyme hiệu quả hơn so với phương pháp chỉ sử dụng sóng siêu âm đơn thuần.MTS được ứng dụng để vô hoạt nhiều enzyme như lypoxygenase,
peroxidase, lipase và protease, pectinmethylesterase
Sóng siêu âm không chỉ vô hoạt được những enzyme thuộc nhóm hydrolase mà còn cả những enzyme thuộc nhóm oxydoreductase
và lyase Bên cạnh những enzyme đã trình bày, sóng siêu âm còn
vô hoạt được những enzyme khác như alcohol dehydrogenase Sóng siêu âm là tác nhân gây vô hoạt enzyme không thuận
nghịch Sau một thời gian bảo quản, những enzyme đã được xử lý không tái hoạt trở lại
Sóng siêu âm không tác động đến hoạt tính enzyme là một hướng nghiên cứu mới từ năm 2007 đến nay Khả năng gây kết tụ
enzyme trên những bong bóng khí đã khiến sóng siêu âm trời thành một phương pháp mới đơn giản và hữu ích trong việc chuẩn
bị chế phẩm enzyme Mặt khác, sóng siêu âm có thể được ứng dụng trong các quá trình chế biến thực phẩm để đảo trộn làm tăng tính đồng nhất mà không làm mất đi hoạt tính của những enzyme
có lợi
Tóm lại, đối với một enzyme cụ thể, sóng siêu âm có khả năng làm tăng hoạt tính nhưng cũng có khả năng vô hoạt và cũng có thể không gây ảnh hưởng gì đến hoạt tính của enzyme Ví dụ điển hình nhất là α-amylase Với chế phẩm α-amylase, sóng siêu âm mật độ 0.35 w/ml làm tăng hoạt tính enzyme ở nồng độ cơ chất thấp; sóng siêu âm tần số không đổi 30 kHz và năng lượng cực đại 50 W đã gây vô hoạt enzyme do tạo thành những gốc OH● tấn công vào các đơn vị tyrosine trong phân tử protein; tuy
nhiên, sóng siêu âm cường độ 150 W/cm2 truyền trong 3 phút ở
200C lại không gây ảnh hưởng gì đến hoạt tính enzyme do các gốc tự do được tạo thành tương tác với các đơn vị cysteine nằm ngoài trung tâm hoạt động của amylase và do đó chỉ làm
α-amylase kết hạt lại với nhau Đối với α-α-amylase của malt lúa
mạch, sau khi ươm mầm sẽ được truyền sóng siêu âm 20 kHz ở
300C trong phạm vi từ 20 đến 100 % tổng năng lượng sóng của
Trang 5thiết bị Khi năng lượng sóng truyền bằng 20% tổng năng lượng của thiết bị thì hoạt tính của enzyme tăng theo thời gian truyền sóng Tuy nhiên, khi năng lượng sóng truyền bằng 60% thì hoạt tính chỉ tăng trong 5 phút đầu truyền sóng và sau đó giảm xuống một cách đáng kể Như vậy, sóng siêu âm là một công cụ có khả năng đáp ứng được nhiều mục tiêu khác nhau của con người