Ứng dụng enzyme trong vật liệu dệt

Làm giảm năng lượng hoạt hóa phản ứng Tất cả các phản ứng sinh hóa trong tế bào sinh vật đều được thực hiện trong điều kiện ôn hòa, trùng với nhiệt độ của cơ thể.. của các phản ứng enzym

1. GIỚI THIỆU

Việc sử dụng vật liệu dệt trong lĩnh vực y tế đã liên tục được mở rộng trong nhiều năm, và hiện là lĩnh vực công nghệ ứng dụng cao mà khả năng phát triển về mặt kinh tế

là không cần bàn cãi gì nữa Nghiên cứu trong lĩnh vực này hiện đang cực kỳ sôi động, với vô số ý tưởng cho vật liệu dệt đổi mới được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của lĩnh vực

y tế/bệnh viện

Trong những năm gần đây enzym đã được sử dụng nhiều trong ngành dệt Một ưu điểm khác của sử dụng enzym là chúng thân thiện với môi trường, do chúng dễ dàng thoái biến sinh học Bên cạnh đó, enzym không để lại dư lượng hóa chất trên vật liệu đã gia công và làm thay đổi màu của hàng nhuộm rất ít

Enzyme là chất xúc tác cho mọi biến đổi vật chất trong công nghệ sinh học Enzyme

và nhiều hoạt chất sinh học khác là sản phẩm của công nghệ sinh học Chúng có thể dùng làm công cụ mới của công nghệ sinh học, hay sử dụng trong các lãnh vực khác Enzyme được xem là thuốc thử có tính chuyên hóa cao mà không có enzyme thì các quá trình công nghệ sinh học không thể tối ưu hóa được

Trong công nghiệp dệt, chế phẩm amylase được dùng để rũ hồ vải trước khi tẩy trắng

và nhuộm Amylase có tác dụng làm vải mềm, có khả năng nhúng ướt, tẩy trắng và bắt màu tôt Rũ hồ bằng enzyme không những nhanh, không hại vải, độ mao dẫn tốt mà còn đảm bảo vệ sinh, do đó tăng được năng suất lao động

Trong sản xuất tơ tằm, người ta dùng protease để làm sạch sợi tơ Với công đoạn xử

lý bằng enzyme sau khi xử lý bằng dung dịch xà phòng sẽ giúp lụa có tính đàn hồi tốt, bắt màu đồng đều và dễ trang trí trên lụa

2. NỘI DUNG

2.1 CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYME

2.1.1 Cơ chế xúc tác của enzyme

Mọi vi sinh vật đều được cấu tạo từ tế bào Các tế bào luôn luôn tiến hành quá tr.nh trao đổi chất với môi trường bên ngoài bằng những phản ứng sinh hóa Các phản ứng xảy

ra luôn luôn được xúc tác bởi các enzyme của tế bào Như vậy, enzyme đóng vai trò rất quan trọng trong sinh lý của tế bào Tác động của enzyme vào các phản ứng sinh hóa mang 2 ý nghĩa đối với tế bào:

a. Làm giảm năng lượng hoạt hóa phản ứng

Tất cả các phản ứng sinh hóa trong tế bào sinh vật đều được thực hiện trong điều kiện

ôn hòa, trùng với nhiệt độ của cơ thể Các phản ứng enzyme thường không đổi hỏi nhiệt

độ cao, do đó nó đảm bảo cho mọi hoạt động sinh l b.nh thường của tế bào Trong khi

đó, năng lượng chi phí cho những phản ứng hóa học thường rất cao

Đặc điểm làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng enzyme có nghĩa rất lớn trong sinh lý của sinh vật Đặc điểm này gắn liền với quá tr.nh tiến hóa của sinh vật, nếu nhiệt

độ cơ thể tăng sẽ lảm rối loạn toàn bộ quá tr.nh sinh lý của tế bào Khi đó cơ thể sẽ chuyển từ trạng thái sinh lý bình thường sang trạng thái bệnh lý Cơ thể ở trạng thái bệnh

lý là kết quả của sự rối loạn các phản ứng enzyme Chính vì thế, việc duy trì trạng thái sinh lý bình thường của tế bào hay của cơ thể đồng nghĩa với việc duy trì hoạt động hài hòa của các phản ứng enzyme

b Enzyme tham gia vào các phản ứng sinh hóa thường làm tăng tốc độ phản ứng

Tốc độ phản ứng tăng sẽ làm tăng mức độ chuyển hóa cơ chất Như vậy quá trình trao đổi chất của tế bào sẽ tăng Kết quả là tế bào sẽ tăng nhanh về số lượng và khối lượng Như vậy, enzyme không chỉ đóng vai

trì duy trì trạng thái sinh lý của tế bào mà còn đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển

và sinh sản của tế bào, duy trì sự chuyển hóa vật chất trong các chu trình chuyển hóa trong thiên nhiên Nhờ có hoạt động của enzyme mà khối lượng cơ chất được chuyển hóa trong một đơn vị thời gian trong tế bào lớn gấp hàng ngàn lần khối lượng tế bào Bản chất

của các phản ứng enzyme là khi có sự tham gia xúc tác của các enzyme, các cơ chất sẽ được hoạt hóa mạnh, từ đó làm thay đổi tính chất hóa học của cơ chất, kết quả sau phản ứng sẽ tạo ra những sản phẩm của phản ứng Dưới tác dụng của enzyme, cơ chất có thể

có những thay đổi không chỉ về cấu trúc hóa học, mà c.n thay đổi tính chất hóa học Quá tr.nh xúc tác của enzyme xảy ra qua 3 giai đoạn:

Giai đoạn thứ nhất: Enzyme sẽ kết hợp với cơ chất bằng những liên kết yếu, nhờ đó

sẽ tạo ra phức hệ enzyme – cơ chất Phức hệ này thường không bền Phản ứng tạo ra phức hệ enzyme – cơ chất thường xảy ra rất nhanh và đòi hỏi ít năng lượng

Giai đoạn thứ hai: khi cơ chất tạo phức với enzyme sẽ bị thay đổi cả cấu hình không

gian, cả về mức độ bền vững của các liên kết Kết quả là các liên kết bị phá vỡ và tạo ra sản phẩm

Giai đoạn thứ ba: Đây là giai đoạn cuối cùng, sản phẩm quá tr.nh phản ứng được tạo

thành và tách ra khỏi enzyme

Cơ chế xúc tác tổng quát của enzyme: E + S <=> ES => E + P

Trong đó: E – enzyme (enzyme) S – Cơ chất (substrate) P – Sản phẩm (products)

2.1.2 Năng lượng xúc tác

Enzyme tham gia hầu hết các phản ứng sinh hóa trong cơ thể sống Nhờ hoạt động xúc tác của enzyme, các tế bào có thể chuyển hóa lượng cơ chất rất lớn Enzyme sử dụng

nguồn năng lượng nào và sử dụng năng lượng bằng cách nào để tiến hành quá tr.nh xúc tác mà khả năng xúc tác lại lớn như vậy? Các nhà khoa học đưa ra 2 cách sử dụng năng lượng liên kết để tiến hành quá trình xúc tác:

Thứ nhất: enzyme sử dụng năng lượng liên kết để làm giảm năng lượng hoạt hóa.

Năng lượng này được giải phóng trong quá tr.nh h.nh thành liên kết yếu trong tương tác qua lại giữa enzyme và cơ chất

Thứ hai: enzyme sử dụng năng lượng liên kết tạo phản ứng xúc tác đặc hiệu thông

qua cơ chế sau:

• Giảm entropy: enzyme và cơ chất luôn ở trạng thái chuyển động trong dung dịch lỏng Nếu không có năng lượng liên kết, enzyme sẽ rất khó định hướng tác động lên cơ chất, giữ cơ chất và định hướng phản ứng

• Làm mất vỏ nước bao quanh: nhờ tương tác yếu giữa enzyme và cơ chất có khả năng làm giảm toàn bộ liên kết hydrogen tồn tại giữa cơ chất và nước bao quanh

• Năng lượng liên kết do các tương tác yếu tạo ra ở trạng thái chuyển tiếp được sử dụng làm căng hoặc uốn khúc cơ chất, tạo điều kiện cho enzyme xúc tác phản ứng

dễ dàng

• Năng lượng liên kết tạo ra cấu h.nh không gian của enzyme sao cho phù hợp với cấu hình không gian của cơ chất

2.1.3 Sự tạo thành enzyme cơ chất

Brown và Henri là những nhà khoa học đầu tiên đưa ra thuyết “phức hợp trung gian” Sau đó, Michaelis và Menten phát triển thêm

Theo thuyết này, enzyme sẽ kết hợp với cơ chất, tạo ra một phức hợp không gian giữa enzyme và cơ chất Do tác dụng của enzyme, cơ chất bị biến đổi mạnh và cuối cùng tạo

ra sản phẩm Sự tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất thường xảy ra rất nhanh và về bản chất thì phức hợp này hoàn toàn không bền vững Các tính chất này của phức hợp enzyme và cơ chất phụ thuộc rất nhiều ở bản chất hóa học của cơ chất

Để tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất có đến năm loại liên kết tham gia Các liên kết này có đặctính riêng và năng lượng liên kết khác nhau Các liên kết này bao gồm: liên

kết phối trí, liên kết hydrogen, liên kết ion, liên kết kị nước lực Van der Waals và liên kết

do chuyển dịch điện tích

Enzyme là những phần tử protein có phân tử lượng lớn Trên bề mặt của phân tử enzyme tồn tại rất nhiều nhóm hóa học đặc hiệu Các nhóm chức này đóng vai tr quan trọng trong định hướng và giúp cơ chất enzyme tiếp cận với nhau Khi enzyme và cơ chất tương tác với nhau thường tạo ra liên kết yếu, tạo ra năng lượng kết hợp Năng lượng được tạo ở từng liên kết yếu này thường nhỏ, nhưng có nhiều năng lượng liên kết nên tổng năng lượng trong phản ứng enzyme là rất lớn

Enzyme sẽ sử dụng nguồn năng lượng này để làm giảm năng lượng trong phản ứng enzyme Năng lượng giảm trong phản ứng enzyme được chuyển qua hệ thống các chất tham gia phản ứng Lượng năng lượng giảm trong quá tr.nh hoạt hóa phải bằng lượng năng lượng các chất tham gia phản ứng nhận được

Theo ý kiến của các nhà khoa học, đầu tiên cơ chất phải được hoạt hóa để chuyển sang trạng thái chuyển tiếp tạm thời để tương tác với cơ chất tạo nên phức enzyme – cơ chất (ES) Sau đó phức hợp này lại được hoạt hóa để chuyển thành trạng thái chuyển tiếp tạm thời sang phức hợp EP (P là sản phẩm) Sau đó phức hợp EP lại chuyển sang trạng thái tạm thời khác để tạo thành P và giải phóng E tự do Năng lượng của sản phẩm sẽ thấp hơn mức năng lượng của cơ chất ban đầu Toàn bộ quá tr.nh phản ứng được diễn giải chính thức như sau

E + S => ES => EP => E + P

Năng lượng cần thiết để làm giảm năng lượng hoạt hóa quá tr.nh xúc tác, đồng thời cũng tạo ra tính đặc hiệu cho phân tử enzyme Tính đặc hiệu của enzyme là khả năng nhận biết, chọn lọc cơ chất để tiến hành các phản ứng riêng theo bản chất từng loại enzyme

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng của enzyme

2.1.4.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến phản ứng enzyme Tốc độ phản ứng enzyme không phải lúc nào cũng tỷ lệ thuận với nhiệt độ phản ứng Tốc độ phản ứng chỉ tăng đến một giới hạn nhiệt độ nhất định Vượt quá nhiệt độ đó, tốc độ phản ứng enzyme sẽ giảm đến mức triệt tiêu

Người ta thường sử dụng hệ số nhiệt Q10 để biểu thị ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc

độ phản ứng Nhiệt độ tương ứng với tốc độ phản ứng enzyme cao nhất được gọi là nhiệt

độ tối ưu Phần lớn enzyme hoạt động mạnh nhất ở nhiệt độ 40 – 500C Nhiệt độ tối ưu của những enzyme khác nhau là hoàn toàn khác nhau Một số enzyme khác có nhiệt độ tối ưu ở 60oC, một số khác lại có nhiệt độ tối ưu ở 700C, thậm chí có một số enzyme của

vi khuẩn Bacillus subtilis lại hoạt động mạnh ở 900C

Nếu đưa nhiệt độ cao hơn mức nhiệt độ tối ưu, hoạt tính enzyme sẽ bị giảm Khi đó enzyme không có khả năng phục hồi lại hoạt tính

Ngược lại, ở nhiệt độ 00C enzyme bị hạn chế hoạt động rất mạnh, nhưng khi đưa nhiệt độ lên từ từ hoạt tính enzyme sẽ tăng dần đều đến mức tối ưu

Nhiệt độ tối ưu của một enzyme phụ thuộc rất nhiều vào sự có mặt của cơ chất, kim loại, pH, các chất bảo vệ Người ta thường sử dụng nhiệt độ để điều khiển hoạt động của enzyme và tốc độ phản ứng trong chế biến và bảo quản thực phẩm

2.1.4.2 pH

pH môi trường thường ảnh hưởng đến mức độ ion hóa cơ chất, enzyme và đặc biệt ảnh hưởng đến độ bền của enzyme Chính v thế pH có ảnh hưởng rất mạnh đến phản ứng của enzyme

Nhiều enzyme hoạt động rất mạnh ở pH trung tính Tuy nhiên cũng có nhiều enzyme hoạt động ở pH acid yếu Một số khác lại hoạt động mạnh ở pH kiềm và cả pH acid VD: một số protease hoạt động ở pH kiềm (protease kiềm), một số lại hoạt động ở pH acid (protease acid) và một số protease lại hoạt động ở pH trung tính (protease trung

tính) Người ta thường sử dụng ảnh hưởng của pH để điều h.a phản ứng trong bảo quản, chế biến lương thực, thực phẩm, trong tuyển chọn giống vi sinh vật…

2.1.4.3 Chất kìm hãm

Các chất kìm hãm hoạt động của enzyme thường là các chất có mặt trong các phản ứng enzyme, làm giảm hoạt tính của enzyme nhưng lại không bị enzyme làm thay đổi tính chất hóa học, cấu tạo hóa học và tính chất vật lý của chúng

Các chất gây kìm hãm hoạt động của các enzyme bao gồm các ion, các phân tử vô cơ, các chất hữu cơ và cả protein Các chất kìm hãm có ý nghĩa rất lớn trong điều khiển các quá trình trao đổi ở tế bào sinh vật Cơ chế kìm hãm của các chất kìm hãm có thể là thuận nghịch hoặc không thuận nghịch Trong trường hợp các chất kìm hãm thuận nghịch, phản ứng giữa enzyme và chất kìm hãm sẽ nhanh chóng đạt được trạng thái cân bằng

Các chất kìm hãm kết hợp với enzyme bằng liên kết đồng hóa trị Theo đó, các chất kìm hãm gắn rất chặt vào enzyme, tạo thành phức enzyme – chất kìm hãm (EI) Phức hợp này bị phân rã rất chậm Tùy thuộc vào bản chất của chất kìm hãm mà người ta chia ra những chất kìm hãm sau:

Chất kìm hãm cạnh tranh: các chất kìm hãm cạnh là những chất có cấu trúc tương tự

như cấu trúc của cơ chất Chúng thường là những chất kìm hãm thuận nghịch Chúng có khả năng kết hợp với trung tâm hoạt động của enzyme Khi đó, chúng sẽ chiếm vị trí của

cơ chất trong trung tâm hoạt động Nếu chất kìm hãm đã chiến được vị trí trong trung tâm hoạt động thì cơ chất sẽ không còn cơ hội tiếp cận với trung tâm này Cơ chế loại trừ lẫn nhau của chất kìm hãm và trung tâm làm giảm số lượng các enzyme kết hợp với cơ chất Kết quả là hoạt động của enzyme sẽ giảm Vì có cấu trúc không gian giống nhau, nên các chất cạnh tranh và cơ chất đều có xu hướng chiếm vị trí trong trung tâm hoạt động Vận tốc phản ứng lúc này phụ thuộc vào 2 yếu tố:

- Phụ thuộc vào nồng độ cơ chất và nồng độ chất canh tranh Nếu nồng độ cơ chất đủ lớn

sẽ loại trừ được hiện tượng cạnh tranh

- Phụ thuộc vào ái lực giữa cơ chất và chất cạnh tranh với enzyme

Chất kìm hãm không cạnh tranh:

Nếu như trong cơ chế kìm hãm cạnh tranh, các chất kìm hãm chiếm trung tâm hoạt động của enzyme thì cơ chế kìm hãm không cạnh tranh, chất kìm hãm không chiếm trung tâm hoạt động của enzyme mà là ở một vị trí ngoài trung tâm hoạt động của enzyme Kết quả sự kết hợp này, chất kìm hãm làm thay đổi cấu trúc không gian của phân tử enzyme theo chiều hướng bất lợi cho hoạt động xúc tác Vì thế các chất kìm hãm làm giảm hoạt động của enzyme

Khi chất kìm hãm không cạnh tranh kết hợp với enzyme sẽ làm vận tốc phản ứng enzyme bị giảm mặc dù quá trình này không làm thay đổi ái lực giữa enzyme và cơ chất Mức độ kìm hãm của chất kìm hãm không cạnh tranh không phụ thuộc vào tương quan nồng độ cơ chất và chất kìm hãm Cơ chất dù có lượng lớn bao nhiêu cũng không loại trừ được tác dụng k.m h.m của chất kìm hãm Các chất kìm hãm không cạnh tranh có thể là các chất sau:

a Kìm hãm bởi sản phẩm của phản ứng: các sản phẩm của phản ứng có thể đóng vai

trò như chất kìm hãm không cạnh tranh Nếu như phản ứng xảy ra do chất A và chất B,

có sự tham gia của enzyme để tạo thành sản phẩm P1 và P2 th enzyme có ái lực với cả P1, P2 và cả chất A và B Khi đó sản phẩm P1, P2 được xem là chất k.m h.m không cạnh tranh

b Kìm hãm do thừa cơ chất: trong phản ứng enzyme thông thường thì:

E + S <=> ES => E + P

Khi ES được tạo thành rất có thể có một cơ chất gắn với ES tạo thành ESS làm chúng không thể chuyển hóa tạo tiếp tục được để tạo sản phẩm và giải phóng enzyme tự do

2.1.4.4 Chất hoạt hóa

Các chất có tác dụng làm tăng hoạt tính của enzyme gọi là các chất hoạt hóa enzyme Các chất hoạt hóa enzyme có bản chất hóa học rất khác nhau Chúng có thể là những anion, các ion kim loại từ ô thứ 11 đến ô thứ 55 trong bảng hệ thống tuần hoàn, các chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp Tuy nhiên, các chất hoạt hóa chỉ có tác dụng ở một nồng độ nhất định Vượt quá nồng độ này, chúng sẽ gây ức chế hoạt động của enzyme

Ở nồng độ hoạt hóa, các chất hoạt hóa thường làm nhiệm vụ chuyển nhóm hydrogen hoặc những chất có khả năng phá vỡ một số liên kết trong phân tử tiền enzyme hoặc các chất

có tác dụng phục hồi các nhóm chức năng trong trung tâm hoạt động của enzyme

2.2 MỘT SỐ VẬT LIỆU CÓ TÁC DỤNG TRONG NGÀNH DỆT

2.2.1 Tinh bột biến tính

Tinh bột được tách ra từ hạt như ngô và lúa mì, từ rễ và củ như sắn, khoai tây, dong là những loại tinh bột chính dùng trong công nghiệp

Các hạt tinh bột là những tinh thể đa hình phụ thuộc vào nguồn gốc xuất xứ trong đó hai loại polime được sắp xếp đối xứng xuyên tâm Bên trong hạt tinh bột có phần kết tinh do amilozơ và phần phân nhánh của amilopectin tạo thành làm cho chúng không tan trong nước lạnh và tương đối trơ với các enzym thuỷ phân Dựa trên bản chất những biến đổi xảy ra trong phân tử tinh bột, Kovalxkaia chia tinh bột biến tính bằng hoá chất thành 2 loại: tinh bột cắt và tinh bột bị thay thế

2.2.2 Nấm trắng

Việc sử dụng loại nấm thối rữa trắng phân hủy lignin đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học do loại sinh vật này có thể phân hủy rất nhiều hợp chất hữu cơ bền vững chẳng hạn như polycyclic aromatic hydrocarbon, chlorophenol, và các loại thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm heterocyclic, thuốc nhuộm polymeric khác nhau Phần lớn các enzym kết hợp với việc phân hủy lignin là laccaza, lignin peroxidaza và mangan peroxidaza Laccaza là các enzyme multicopper mà tạo xúc tác cho quá trình oxy hóa các hợp chất phenola và phi phenola Tuy nhiên, chất nền của laccaza có thể được mở rộng bằng việc

sử dụng chất trung gian chẳng hạn như 2, 2-azoinobis-(3-ethylthiazoline-6 sulfonate), 1-hydroxybenzotriazole Loại nấm Trametes Modesta đã được sử dụng để sản xuất laccaza

và sử dụng làm khử mầu thuốc nhuộm tổng hợp

2.2.3 Đường xylose

Các enzym xylanolytic tạo nên nhóm khác Xylan là phân tử không đồng nhất (thành phần cơ bản: đường xylose), tạo nên phần lớn nhất trong hemixenlulo thành phần của thành tế bào thực vật Vi khuẩn xylanolytic có tiềm năng công nghệ sinh học rất lớn

2.3 ỨNG DỤNG CỦA NHỮNG VẬT LIỆU ĐÓ

Rất nhiều loại vi khuẩn có thể sống trong các điều kiện môi trường khác nhau và khắc nghiệt, chẳng hạn như trong môi trường nhiệt độ cao, trong điều kiện môi trường a xít và kiềm, trong môi trường muối Các vi khuẩn extremophil sống tại các vùng khắc nghiệt nhất trên trái đất Nơi mà các vi khuẩn khác không thể sống được thì người ta vẫn tìm

thấy chúng trong các vùng biển sâu nhất với áp suất trên 100 bar, trong miệng núi lửa có

nhiệt độ trên 100oC, trong các vùng băng giá, trong các hồ muối (với nồng độ lên đến 30%) và trong môi trường với giá trị pH cực kỳ khắc nghiệt (pH9) Thành phần tế bào (các enzym, màng nhầy) của vi khuẩn extremophil được biến đổi để thích nghi một cách tối ưu trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt và có các đặc tính như bền vững, tính năng đặc biệt và có tính hoạt động Những điểm này đã làm các vi khuẩn này rất phù hợp cho các ứng dụng công nghệ sinh học Tại trường đại học Tổng hợp công nghệ Hamburg-Đức, một nghiên cứu tổng thể về vi khuẩn extremophil để phân lập các vi khuẩn extemophil (ví dụ tinh bột, protein, hemixenlulo) đã được thực hiện để có thể tạo ra các enzyme phân hủy các polyme sinh học, các ancan, các polyaromatic carbonhydrat (PAK) cùng với các chất béo và dầu Trong phần chính của các nghiên cứu này, một nhóm các enzym có liên quan đến công nghệ sinh học như men phân giải tinh bột amilaza, xylanaza, proteaza, lipaza và các polymeraza DNA đã được làm giầu và mô tả đặc tính 2.3.1 Chuyển đổi các polyme tự nhiên bằng các extremozym

Tinh bột là một trong các polyme sinh học quan trọng nhất trên trái đất Đại phân tử được tạo nên từ các nhóm gluco, đóng một vai trò nổi bật trong công nghiệp thực phẩm Tinh bột biến tính có mặt trong rất nhiều loại thực phẩm Ví dụ men phân giải tinh bột amilaza và các enzyme phân nhánh được sử dụng để biến tính tinh bột Với sự trợ giúp của các enzym biến tính tinh bột chịu nhiệt, các quá trình xử lý sau cùng cho tinh bột có