ứng dụng cũa enzyme trong công nghiệp

Bài báo cáo của nhóm chúng em xin trình bày về: - Các loại enzyme phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đặc biệt... Ứng dụng của enzyme trong đời sống Ứng dụng enzyme như các

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn ĐÀO THỊ MỸ LINH

MỤC LỤC

1

Lời nói đầu

Sản xuất thực phẩm có đặc điểm là các nguyên liệu chính, thường có nguồn gốc từsinh vật Mỗi nguyên liệu và mỗi thành phẩm đều chứa các chất hợp phần của tếbào, đặc biệt là các enzyme Do đó các phản ứng hóa học xảy ra trong nguyên liệucũng như trong quá trình sản xuất, thực chất là những phản ứng enzyme Do phảnứng enzyme mà chất lượng của các nguyên liệu trong quá trình bảo quản và cấtgiữ có thể bị tổn thất, giảm sút Và cũng nhờ phản ứng enzim mà tân tạo ra đượctrạng thái, kết cấu và hương vị đặc thù cho sản phẩm Các biện pháp công nghệtrong sãn xuất thực phẩm hoặc là tìm cách kìm hãm hoạt độ các enzyme hoặc làtạo các điều kiện để chúng hoạt động tối đa

Bài báo cáo của nhóm chúng em xin trình bày về:

- Các loại enzyme phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đặc biệt

1 Giới thiệu về enzyme:

1.1 Khái niệm:

Trong cuộc sống sinh vật xảy ra rất nhiều phản ứng hóa học, với một hiệu suấtrất cao, mặc dù ở điều kiện bình thường về nhiệt độ, áp suất, pH Sở dĩ như vậy vì

nó có sự hiện diện của chất xúc tác sinh học được gọi chung là enzyme

Như vậy, enzyme là các protein xúc tác các phản ứng hóa học Trong các phảnứng này, các phân tử lúc bắt đầu của quá trình được gọi là cơ chất (substrate),enzyme sẽ biến đổi chúng thành các phân tử khác nhau Tất cả các quá trình trong

tế bào đều cần enzym Enzym có tính chọn lọc rất cao đối với cơ chất của nó.Hầu hết phản ứng được xúc tác bởi enzym đều có tốc độ cao hơn nhiều so với khikhông được xúc tác Có trên 4000 phản ứng sinh hóa được xúc tác bởi enzym.Hoạt tính của enzym chịu tác động bởi nhiều yếu tố Chất ức chế là các phân tửlàm giảm hoạt tính của enzym, trong khi yếu tố hoạt hóa là những phân tử làmtăng hoạt tính của enzym

1.2 Phân loại Enzyme

Enzyme có tính đặc hiệu cao: Mỗi enzyme có khả năng xúc tác quá trình chuyển hóa một hoặc một só chất nhất định theo một kiểu phảm ứng nhất định Người ta dựa vào tính đặc hiệu của enzyme để phân loại chúng Các enzyme được chia làm

6 lớp đánh số theo thứ tự nhất định

- Lớp thứ nhất:

+ Oxidoreductaz xúc tác cho phản ứng oxy hóa khử

+ Cơ chất bị oxy hóa được xem như là cho hidro hoặc electron

+ Các dehidrogenaz, oxidaz thuộc lớp này nhưng oxidaz chỉ sử dụng oxi làm

chất nhận

+ Một số enzyme thuộc lớp này không thể hiện rõ tính đặc hiệu đối với chất nhận hydro hoặc electron

- Lớp thứ hai: Transpheraz xúc tác cho phản ứng chuyển vị nhóm (ví dụ nhóm

metyl, cacboxyl, ) từ một chất (gọi là chất cho) đến một chất khác (gọi là chất nhận) Trong nhiều trường hợp chất cho là coenzyme mang nhóm được chuyển vị

- Lớp thứ ba: Hidrolaz xúc tác cho phản ứng thủy phân các liên kết khác nhau

Một số enzyme của lớp này có tính đặc hiệu khá rộng Tên của enzyme thuộc lớp này có thể là têm cơ chất + đuôi "az" Do đó khi gặp tên enzyme được cấu tạo theokiểu trên tức là thuộc lớp 3 (hidrolaz)

- Lớp thứ tư: Liaz xúc tác cho các phản ứng cắt đứt liên kết C-C, C-O, C-N hoặc

các liên kết khác với phản ứng thủy phân hoặc oxy hóa Trong phản ứng chỉ có một cơ chất, một phân tử sẽ bị lợi khỏi cơ chất, để lại một nối đôi trong phần còn lại (sản phẩm của phản ứng)

Ví dụ: Dehidrataz xúc tác cho phản ứng trong đó phân tử bị loại là H2O, nếu phản ứng ngược lại là quan trọng hơn thì có thể thêm đuôi xintaz (VD: Xitrat-xintaz)

- Lớp thứ năm: Izomeraz xúc tác cho phản ứng đồng phân học (thay đổi vị trí

trong nội bộ một phân tử)

- Lớp thứ sáu: Ligaz xúc tác cho phản ứng kết hợp hai phân tử có kèm theo thủy

phân liên kết pirophotphat trong phân tử ATP hoặc trirophotphat tương tự

1.3 Ứng dụng của enzyme trong đời sống

Ứng dụng enzyme như các hoá chất để phân tích định lượng các chất: có thể xácđịnh các chất đặc biệt với hàm lượng rất thấp và bị lẫn với các chất kháctương tự với nhau mà các phương pháp hoá học khác khó có thể xác định đượcchính xác, hoặc phân tích những chất không bền dễ dàng bị phân huỷ ởnhiêt độ hoặc áp suất cao, hoặc những điều kiện phản ứng khó thiết lập

Ví dụ: Xác định cơ chất sử dụng amylase để định lượng tinh bột cho kết quả chínhxác hơn khi dùng acid vì 1 số polysaccharide như hemicellulosenzyme củng bịthủy phân bởi acid ở điều kiện thường …

Sử dụng enzyme trong công nghiệp : từ năm 1970 tách enzyme ra khỏi tế bào

và sử dụng trong sản xuất công nghiệp, hiện tại có ích nhất 60 enzyme đã đượcthương mại hóa, đa số là các enzyme ngoại bào , ví dụ như sản xuất sữa, bánh mì,beer, công nghiệp dệt…

Sử dụng enzyme trong công nghiệp sản xuất bột giặt và các chất tẩy khác

Sử dụng trông công nghiệp sản xuất sợi, vải, bột giấy và giấy…

Một số lĩnh vực mới:nhuộm tóc, tạo sóng cho tóc,chăm sóc da,khai thácdầu mỏ.Enzyme trong y dược: chuẩn đoán bệnh, điều trị bệnh,

Với amylase, đã được dùng trong sản xuất bánh mì, công nghiệp bánh kẹo,công nghiệp rượu, sản xuất bia, sản xuất mật,glucose, sản xuất các sản phẩm rau,chế biến thức ăn cho trẻ con, sản xuất các mặt hàng từ quả, sản xuất nước ngọt,công nghiệp dệt, công nghiệp giấy…Trong phạm vi bài này chúng ta chỉ đề cậpđến việc ứng dụng chế phẩm enzyme trong một số lĩnh vực

2 Các loại enzyme phổ biến trong công nghiệp

2.1 Enzyme protease

Nhóm enzyme protease (peptit – hidrolase 3.4) xúc tác quá trình thuỷ phân liên kếtpeptit (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptit đến sản phẩm cuối cùng là các axit amin Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kết este

và vận chuyển axit amin

Công thức chung:

Mô hình enzyme Protease thủy phân phân tử Protein

Protease cần thiết cho các sinh vật sống, rất đa dạng về chức năng từ mức độ tếbào, cơ quan đến cơ thể nên được phân bố rất rộng rãi trên nhiều đối tượng từ visinh vật (vi khuẩn, nấm và virus) đến thực vật (đu đủ, dứa ) và động vật (gan, dạdày bê ) So với protease động vật và thực vật, protease vi sinh vật có những đặcđiểm khác biệt Trước hết hệ protease vi sinh vật là một hệ thống rất phức tạp baogồm nhiều enzyme rất giống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tửnên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồng nhất

Cũng do là phức hệ gồm nhiều enzyme khác nhau nên protease vi sinh vật thường

có tính đặc hiệu rộng rãi cho sản phẩm thuỷ phân triệt để và đa dạng

2.2 Enzyme Subtilisin

Subtilisin là một nhóm enzyme protease kiềm (serine protease)

với 2 đại diện được nghiên cứu nhiều nhất là subtilisin

Carlsberg và subtilisin BPN'

Nhóm serine protease là nhóm peptidase lớn nhất và được phát

hiện ở mọi giới sinh vật như eukaryote, prokaryote, archaea và

virus Những enzyme này đều có chung một cơ chế xúc tác phản ứng thủy phânthông qua hai bước chính (Barrett, 1994):

• Bước 1 acyl hóa: hình thành liên kết cộng hóa trị giữa nhóm -OH của serinevới nguyên tử cácbon trong nhóm cácboxyl của phân tử cơ chất nhờ có hỗtrợ của nhóm imidazole từ histidine Kết quả phản ứng này là tạo ra mộthợp chất trung gian và một ion imidazolium (phản ứng cộng) Hợp chấttrung gian không bền này nhanh chóng bị thủy phân thành một acyl-enzyme, vòng imidazole và một amine (phản ứng khử) (Fastrez and Fersht,1973)

• Bước 2 khử acyl hóa: phức hệ acyl - enzyme bị thủy phân bởi phân tử H2Otheo chiều ngược lại của bước một Trong đó, nhóm imidazole chuyểnproton của gốc -OH từ serine cho nhóm amine để tái sinh lại enzyme

này có vai trò rất quan trọng trong quá trình chín tựnhiên của trái cây hay trong quá trình bảo quản trái

cây và rau quả.

phẩm nói riêng Amylase có thể được tìm thấy ở nhiều nguồn khác nhau như động vật , thực vật và cả vi sinh vật Amylase được tinh sạch từ malt vào năm

1835 bởi Anselme Payen và Jean Persoz

Amylase thuộc nhóm Enzyme thuỷ phân, xúc tác sự phân giải các liên kếtglucoside nội phân tử trong các polysaccharide với sự tham gia của nước.

Phương trình phản ứng : RR’ + H-OH > RH + R’-OH

Cơ chất tác dụng của amylase là tinh bột và glycogen

Amylase thuỷ phân tinh bột, glycogen và dextrin thành glucose, maltose, vàdextrin hạn chế

Amylase trong nước bọt còn được gọi là ptyalin,

Enzyme này bắt đầu thuỷ phân tinh bột từ miệng và

quá trình này hoàn tất ở ruột non nhờ amylase của

tuyến tụy mà đôi khi còn được gọi là amylopsin

Hình: enzyme amylaseAmylase của malt thuỷ phân tinh bột lúa mạch thành disaccharide làm cơ chấtcho quá trình lên men bởi nấm men, phân bố rộng rãi trong tự nhiên và là mộttrong những loại enzyme được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y tế và nhiềulĩnh vực kinh tế khác, đặc biệt là trong các nghành công nghiệp thực phẩm để làmlỏng tinh bột

Amylase được thu nhận từ hạt nảy mầm, mầm mốc, nấm men, vi khuẩn, trong

đó amylase được thu nhận từ malt với số lượng nhiều nhất, chủ yếu dùng trong sảnxuất bia

3 Ứng dụng của enzyme trong công nghiệp:

3.1 Ứng dụng enzyme trong công nghiệp:

Việc sử dụng enzyme trong công nghiệp là đa dạng, phong phú và đã đạt được nhiều kết quả to lớn Thử nhìn thống kê sơ bộ sau đây về các lãnh vực đã dùng

protease ta có thể thấy được sự đa dạng: công nghiệp thịt, công nghiệp chế biến cá,công nghiệp chế biến sữa, công nghiệp bánh mì, bánh kẹo, công nghiệp bia, công nghiệp sản xuất sữa khô và bột trứng, công nghiệp hương phẩm và mỹ phẩm,công nghiệp dệt, công nghiệp da, công nghiệp phim ảnh, công nghiệp y học…Với amylase, đã được dùng trong sản xuất bánh mì, công nghiệp bánh kẹo, công

nghiệp rượu, sản xuất bia, sản xuất mật,glucose, sản xuất các sản phẩm rau, chế biến thức ăn cho trẻ con, sản xuất các mặt hàng từ quả, sản xuất nước ngọt, công nghiệp dệt, công nghiệp giấy…Trong phạm vi giáo trình này chúng ta chỉ đề cập đến việc ứng dụng chế phẩm enzyme trong một số lãnh vực.:

3.1.1 Ứng dụng enzyme trong công nghiệp thực phẩm:

Protease với công nghiệp thực phẩm: Việc sử dụng trong chế biến làm mềm

thịt là ứng dụng có tính truyền thống Nhân dân ta từ rất lâu đã dùng thơm để nấucanh thịt bò; dùng rau sống là chuối chát, vả kết hợp thức ăn nhiều thịt; đu đủtrong chống táo bón…mà thực chất là sử dụng papain, bromelain, fixin NgườiNga còn dùng protease từ hạt đậu tương nẫy mầm để làm mềm thịt

Ngoài khả năng phân giải để làm mềm thịt, tạo thức ăn dễ tiêu hóa, công nghệsản xuất các loại dịch thủy phân giàu protein đã được áp dụng một cách có hiệuquả tính năng của protease

Enzyme là một công cụ để chế biến các phế liệu của công nghiệp thực phẩm thànhthức ăn cho người và vật nuôi

Người ta còn khai thác tính đông tụ như của renin, pepsin vào công nghiệp thựcphẩm như trong sản xuất phomat

Pectinase với công nghiệp thực phẩm: Pectinase đã được dùng trong một số ngànhcông nghiệp thực phẩm sau:

- Sản xuất rượu vang

- Sản xuất nước quả và nước uống không có rượu

- Sản xuất các mặt hàng từ quả: quả cô đặc, mứt.

- Sản xuất nước giải khát

Pectinase còn góp phần chiết rút các chất màu, tanin và các chất hòa tan khác, do

đó làm tăng chất lượng của thành phẩm

Những nghiên cứu khi ép nho có xử lý bằng pectinase không những làm tăng hiệusuất mà còn làm tăng màu sắc

Trong sản xuất mứt nhừ, mứt đông… nhờ pectinase mà dịch quả có nồng độ đậmđặc hơn

Cellulase với công nghiệp thực phẩm: Cellulose là thành phần cơ bản của tế

bào thực vật, vì vậy nó có mặt trong mọi loại rau quả cũng như trong các nguyênliệu,phế liệu của các ngành trồng trọt và lâm nghiệp Nhưng người và động vậtkhông có khả năng phân giải cellulose Nó chỉ có giá trị làm tăng tiêu hóa, nhưngvới lượng lớn nó trở nên vô ích hay cản trở tiêu hóa

Chế phẩm cellulase thường dùng để:

- Tăng chất lượng thực phẩm và thức ăn gia súc

- Tăng hiệu suất trích ly các chất từ nguyên liệu thực vật

Ứng dụng trước tiên của cellulase đối với chế biến thực phẩm là dùng nó để tăng

độ hấp thu, nâng cao phẩm chất về vị và làm mềm nhiều loại thực phẩm thực vật.Đặc biệt là đối với thức ăn cho trẻ con và nói chung chất lượng thực phẩm đượctăng lên

Một số nước đã dùng cellulase để xử lý các loại rau quả như bắp cải, hành, cà rốt,khoai tây, táo và lương thực như gạo Người ta còn xử lý cả chè, các loại tảobiển…

Trong sản xuất bia, dưới tác dụng của cellulase hay phức hệ citase trong đó cócellulase, thành tế bào của hạt đại mạch bị phá hủy tạo điều kiện tốt cho tác độngcủa protease và đường hóa

Trong sản xuất agar-agar, tác dụng của chế phẩm cellulase sẽ làm tăng chất lượngagar-agar hơn so với phương pháp dùng acid để phá vở thành tế bào Đặt biệt làviệc sử dụng chế phẩm cellulase để tận thu các phế liệu thực vật đem thủy phân,dùng làm thức ăn gia súc và công nghệ lên men

Những ứng dụng của cellulase trong công nghiệp thực phẩm đã có kết quả rất tốt.Tuy nhiên hạn chế lớn nhất là rất khó thu được chế phẩm có cellulase hoạt độ cao

Amylase với công nghiệp thực phẩm: Chế phẩm amylase đã được dùng phổ

biến trong một số lãnh vực của công nghiệp thực phẩm như sản xuất bánh mì,glucose, rượu , bia

Trong sản xuất bánh mì, chế phẩm amylase đã làm thay đổi hoàn tòan chất lượngcủa bánh mì cả hương vị, màu sắc, độ xốp Chế phẩm amylase sạch cho chấtlượng bánh mì tốt hơn ở dạng phức hợp với protease

Trong sản xuất bánh kẹo người ta thường dùng maltose là sản phẩm thủy phân tinhbột bằng amylase và glucose bằng glucoamylase Chính glucoamylase, là yếu tốlàm tăng hiệu suất trong sản xuất rượu

Trong sản xuất bia, viêc sử dụng amylase có trong các hạt nẩy mầm thay thế malt

đã góp phần đáng kể trong việc giảm giá thành

3.1.2 Ứng dụng trong công nghiệp dệt:

Trong công nghiệp dệt, chế phẩm amylase được dùng để rũ hồ vải trước khi tẩytrắng và nhuộm Amylase có tác dụng làm vải mềm, có khả năng nhúng ướt, tẩytrắng và bắt màu tôt Rũ hồ bằng enzyme không những nhanh, không hại vải, độmao 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 côngđoạn xử lý bằng enzyme sau khi xử lý bằng dung dịch xà phòng sẽ giúp lụa có tínhđàn hồi tốt, bắt màu đồng đều và dễ trang trí trên lụa

3.1.3 Ứng dụng trong công nghiệp thuộc da:

Trong công nghiệp da, enzyme protease được dùng để làm mềm da, làm sạch

da, rút ngắn thời gian, tránh ô nhiễm môi trường Việc xử lý đã được tiến hànhbằng cách ngâm da trong dung dịch enzyme, hay phết dịch enzyme lên bề mặt da.Enzyme sẽ tách các chất nhờn và làm đứt một số liên kết trong phân tử collagenlàm cho da mềm hơn

Thực tế cho thấy khi xử lý da bằng chế phẩm protease từ vi sinh vật có thể rútngắn thời gian làm mềm và tách lông xuống nhiều lần Điều quan trọng là chấtlượng lông tốt hơn khi cắt So với phương pháp hóa học thì việc xử lý bằngenzyme có số lượng lông tăng 20-30% Lông không cần xử lý thêm sau khi ngâmtrong dịch enzyme

Quá trình chế biến da bao gồm một số công đoạn như ngâm ướt, tẩy lông, làmmềm da và thuộc da Thông thường các phương pháp thuộc da thường dùng cáchóa chất độc hại như natri sulfide, làm ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến môitrường khi nước thải của nhà máy này thải ra sông Việc sử dụng enzyme để thaythế các hóa chất đã rất thành công trong việc nâng cao chất lượng da và làm giảm

ô nhiễm môi trường Protein là một thành phần cơ bản của da và lông nên protease

đã được sử dụng để thủy phân một số thành phần phi collagen của da và loại bỏcác protein phi fibrin như albumin, globulin trong quá trình thuộc da rất có hiệuquả (Christner, 1996; Varela et al., 1997; Thangam and S., 2002)

3.1.4 Chất tẩy rửa:

Protease là một trong những thành phần không thể thiếu trong tất cả các loại chất tẩy rửa, từ chất tẩy rửa dùng trong gia đình đến những chất làm sạch kính hoặc răng giả và kem đánh răng Việc ứng dụng enzyme vào các chất tẩy rửa nhiềunhất là trong bột giặt Các protease thích hợp để bổ sung vào chất tẩy rửa thường

có tính đặc hiệu cơ chất rộng để dễ dàng loại bỏ các vết bẩn do thức ăn, máu và các chất do cơ thể con người tiết ra Một tiêu chuẩn quan trọng khác của các protease dùng trong chất tẩy rửa là hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ và pH cao cũng như phải thích hợp với các tác nhân oxy hóa và các chất kìm hãm có trong thành phần của chất tẩy rửa Và tham số đóng vai trò chìa khóa cho việc bổ sung protease nào vào chất tẩy rửa là pI của chúng Một protease phù hợp khi pI của nó trùng với pH của dung dịch chất tẩy rửa Subtilisin đáp ứng được đầy đủ những yêu cầu khắt khe trên

Chất tẩy rửa đầu tiên có chứa enzyme vi khuẩn được sản xuất vào năm 1956 với tên BIO-40 Đến năm 1963, Novo Industry A/S đã giới thiệu alcalase dưới tên thương mại là BIOTEX được chiết xuất từ B licheniformis Và đến gần đây, tất cảcác protease bổ sung vào chất tẩy dùng trên thị trường đều là serine protease được sản xuất từ các chủng Bacillus (Rao et al., 1998; Thangam and S., 2002), và chủ yếu là từ B subtilis Trên thế giới, mỗi năm người ta đã sử dụng 89% enzyme này cho ngành công nghiệp tẩy rửa Trong đó hai công ty lớn là Novo Nordisk và Genencor Internatinal mỗi năm đã cung cấp cho toàn cầu hơn 95% lượng enzyme protease (Gupta et al., 2002)