Cơ chế và hiệu ứng của phản ứng thủy phân và oxy hóa dưới xúc tác của Enzyme

Cơ chế và hiệu ứng của phản ứng thủy phân và oxy hóa dưới xúc tác của Enzyme

LỜI MỞ ĐẦU

Enzyme là những chất xúc tác hữu cơ có tính đặc hiệu cao đối với cơ chất do tế

bào sống tổng hợp nên, điều khiển vận tốc và sự chuyển hóa của hàng ngàn phản ứng hóa học xảy ra trong sinh chất Với những ưu điểm như có nguồn gốc từ tự nhiên nên ít tác hại đối với cơ thể, điều kiện xúc tác phản ứng ôn hòa, và có thể chiết tách được từ nhiều nguồn nguyên liệu phổ biến trong tự nhiên… mà ngày nay Công nghệ enzyme rất phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong đời sống

Enzyme có 6 lớp, trong đó enzyme thủy phân và enzyme oxy hóa khử được ứng dụng đại trà nhất Đặc biệt trong công nghiệp chế biến thực phẩm, chúng được ứng dụng

để tạo ra mùi vị và màu sắc đặc trưng cho sản phẩm, giúp thời gian sản xuất rút ngắn Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên, những enzyme này cũng gây ra không ít bất lợi cho quá trình chế biến và bảo quản, làm ảnh hưởng đến chất lượng và cảm quan của sản phẩm thực phẩm

Vì vậy, chúng ta cần phải nắm rõ cơ chế phản ứng và hiệu ứng của chúng để có

những điều chỉnh phù hợp về điều kiện sản xuất, bảo quản…nhằm đạt được hiệu quả cao nhất khi ứng dụng vào sản xuất và cả trong chiết tách enzyme Những ứng dụng và

những thông tin trên rất cần thiết cho việc mở rộng kiến thức, nghiên cứu, ứng dụng vào thực tiễn

Đó cũng là nội dung chúng em sẽ trình bày trong đề tài tiểu luận : Cơ chế và hiệu

ứng của phản ứng thủy phân và oxy hóa dưới xúc tác của Enzyme

TỔNG QUAN VỀ ENZYME

Bất kỳ lúc nào trong cơ thể sống cũng có hàng trăm phản ứng hóa học xảy ra Các phản ứng này cung cấp năng lượng và duy trì sự cung cấp rất nhiều chất cần thiết cho tăng trưởng và tái tạo Ở đây, các phản ứng điều phối toàn bộ quá trình chuyển hóa có được là nhờ vào sự sản xuất các chất đặc biệt, gọi là enzyme (trong tiếng Hy lạp en là bên trong, zym là sự lên men) Đa số các enzyme có bản chất hóa học là protein, một số khác có bản chất là acid nucleic (trong trường hợp ở viruts) có khả năng điều hòa, xúc tác cho các phản ứng sinh hóa nên còn được gọi là các xúc tác sinh học.

I TÍNH CHẤT SINH HỌC CỦA ENZYME

• Không tham gia vào thành phần cuối của phản ứng

• Chỉ làm tăng nhanh phản ứng mà các phản ứng này có thể xảy ra ở điều kiện không có enzyme

• Không làm mất vị trí cân bằng của phản ứng mà chỉ làm tăng tốc độ của phản ứng

• Theo cấu trúc hóa học thì tất cả enzyme là protein

• Có hiệu suất xúc tác sinh học cao hơn gấp nhiều lần xúc tác hóa học, tuy nhiên vận tốc có thể tăng khi có xúc tác hóa học

• Enzyme có tính đặc hiệu cao và có tính chọn lọc đối với cơ chất

• Thực hiện sứ mệnh điều phối tất cả các quá trình trao đổi chất của cơ thể

• Trong các phản ứng enzyme hầu như kết quả cho ra 100% sản phẩm

II BẢN CHẤT HÓA LÝ CỦA ENZYME

• Có tính chất lý hóa học của protein

• Đa số có dạng hình cầu và không đi qua được màng bán thấm do kích thước lớn

• Tan tốt trong nước và trong dung dịch muối loãng (buffer)

• Cũng như protein enzyme không bền với nhiệt độ Bị biến tính không thuận nghịch bởi acid, base mạnh hay muối kim loại nặng

• Enzyme là những protein đơn giản (enzyme 1 cấu tử): chỉ cấu tạo bởi các L-amino acid, trung tâm hoạt động là các nhóm chức có trong phân tử của amino acid

• Enzyme phức tạp (enzyme 2 cấu tử): ngoài L-amino acid còn có nhóm ngoại (prosthetic) Trong enzyme phức tạp, phần protein gọi là apoenzyme, phần không phải protein có thể tách ra và tồn tại độc lập gọi là coenzyme (vitamin) Khi kết hợp chặt với phần protein gọi là nhóm ngoại

• Đa số các coenzyme là chất cho hoặc nhận điện tử

• Coenzyme trực tiếp tham gia trong phản ứng xúc tác và giữ vai trò quyết định kiểu của phản ứng xúc tác

• Coenzyme là cầu nối giữa phần protein của enzyme và giúp ổn định phần apoenzyme

• Ngược lại apoenzyme có tác dụng nâng cao hiệu lực xúc tác của coenzyme và quyết định tính đặc hiệu của enzyme

III TÍNH ĐẶC HIỆU

1 Đặc hiệu phản ứng : Một enzyme chỉ xúc tác cho một phản ứng

2 Đặc hiệu cơ chất :

trong phân tử cơ chất

phân lập thể nhất định

IV PHÂN LOẠI ENZYME

1 Phân loại theo cấu tạo :

- Thành phần không cấu tạo bởi protein, mà không thể tách ra gọi là Cofacter

2 Phân loại theo kiểu phản ứng:

Enzyme được phân loại thành 6 nhóm chính:

• Nếu chất chuyển hay chất nhận rõ ràng thì gọi tên theo chúng Ex Dehydrogenase (NAD, FAD, FMN,…) oxydase (nhận hydro), oxygenase (kết hợp trực tiếp với oxy)

• Nếu chất cho hydro không rõ ràng thì gọi là reductase

• Các enzyme thường gặp trong nhóm này là: dehydrogenase, oxydase, peroxidase, catalase,…

GlycosyltransferasesTransferring N-containing groupsAminotransferases

Transferring P-containing groupsWith an alcohol group as acceptor

2.3 Hydrolase

• Là nhóm enzyme xúc tác các phản ứng thủy phân các hợp chất hữu cơ với sự tham gia của nước

• Phản ứng tổng quát XY + H2O à XOH + YH

• Cách gọi tên: Tên của cơ chất được tách ra hydrolase

• Các enzyme thường gặp là esterase, phosphatase, nuclease, peptidase, lipase

2.4 Lyase

• Là enzyme phân cắt chất hữu cơ không có sự tham gia của nước

• Cách gọi tên: tên cơ chất + tên của nhóm được tách ra + lyase Ex Aspactate ammonia lyase

• Các enzyme thường gặp: decarboxylase, aldolase, hydratase,…

• Cách gọi tên: Tên cơ chất + ligase (hay synthetase); VD: Glutamin synthetase

V CẤU TRÚC CỦA ENZYME

Trong cấu trúc của enzyme tồn tại trung tâm họat động Đây là phần rất nhỏ của enzyme, nhưng nó lại quyết định tính xúc tác, tính đặc hiệu của enzyme

Một trung tâm hoạt động của enzyme gồm 2 vùng:

– Tâm xúc tác: Tham gia kết hợp trực tiếp với cơ chất

– Miền tiếp xúc: Gắn cơ chất lên vị trí tác dụng

Đối với enzyme một thành phần, trung tâm hoạt động của enzyme được hình thành do sự tương tác lẫn nhau của một số gốc acid amin nhất định có trong cấu trúc của enzyme

Đối với enzyme hai thành phần, trung tâm hoạt động thường là các nhóm ngoại như vitamin, ion kim loại, và các nhóm định chức của acid amin ở phần apoenzyme

VI CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME

Mô hình chìa khóa và ổ khóa: Trung tâm hoạt động phải có cấu trúc tương ứng với cấu trúc của cơ chất (khớp với nhau như chìa và ổ khóa)

Thuyết tiếp xúc cảm ứng: (theo Kosland) sự tương tác cảm ứng về cấu trúc không gian tạo nên phức hợp enzyme cơ chất

Năng lượng hoạt hóa (Ea): Là năng lượng cần cung cấp để phân tử đạt tới trạng thái hoạt hóa VD: Xăng có khả năng bốc cháy nhưng cần lửa mồi

Cơ chế tổng quát:

• Cơ chất phải được gắn vào trung tâm hoạt động của enzyme tạo thành phức hợp enzyme – cơ chất [ES]

• Với tác dụng của enzyme, hoạt tính của cơ chất tăng lên rõ rệt và chỉ cần 1 năng lượng hoạt hóa nhỏ thì sẽ tạo thành sản phẩm

Cơ chế tác dụng theo Michaelis-Menten

• Tạo nhanh phức ES, phức này không bền, phức được tạo nên do các liên kết hóa học

• Dưới tác dụng của enzyme, cơ chất được biến đổi thành sản phẩm

• Sau khi tạo sản phẩm (P), enzyme được giải phóng ra và trở về trạng thái ban đầu

A ENZYME THỦY PHÂN

I Hệ enzym thủy phân (hydrolase)

Tính chất chung của nhóm enzym này là xúc tác các phản ứng thủy phân, nghĩa là phân giải các hợp chất phức tạp với sự tham gia của nước, thành những hợp chất đơn giản hơn

Các hyddrolase phần lớn là các enzym một thành phần nên chúng không cần coenzym cho hoạt động xúc tác

Trung tâm hoạt động của chúng bao gồm tổ hợp các nhóm định chức của axit amin không tham gia tạo thành trục chính của sợi polypeptit Các nhóm định chức có thể ở xa nhau trong mạch polypeptit nhưng lại gần nhau trong không gian, được định hướng xác định trong không gian cách nhau những khoảng cách nhất định sao cho chúng có thể tương tác với nhau trong quá trình xúc tác

Nhóm hyddrolase ( EC3) được chia thành 11 phân nhóm sau:

3.1 : enzym thủy phân các liên kết ester

3.2 : enzym thủy phân các liên kết glycoside

3.3 : enzym thủy phân các liên kết eter

3.4 : enzym thủy phân các liên kết peptide

3.5 : enzym thủy phân các liên kết C—N không phải peptide (các amide)

3.6 : enzym thủy phân các liên kết anhydride acid

3.7 : enzym thủy phân các liên kết C—C

3.8 : enzym thủy phân các liên kết haloid – rượu

3.9 : enzym thủy phân các liên kết P—N

3.10 : enzym thủy phân các liên kết S—N

3.11 : enzym thủy phân các liên kết C—P

II Cơ chế tác dụng của enzym hydrolaza

Sự khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết định khả năng và sự dễ dàng của phản ứng thủy phân

Tác dụng xúc tác của enzym phụ thuộc vào từng trường hợp và do sự phân bố electron đã tồn tại trước đó quyết định

Enzym có thể tác dụng bằng các cách khác nhau Cơ chế đơn giản nhất cho phép liên hệ "phần dương" của liên kết bị thủy phân với tác dụng của enzym là: tâm ái nhân của enzym sẽ tương tác trực tiếp với một trong hai nguyên tử tích điện dương của liên kết bị thủy phân Sự tạo thành phức hợp trực tiếp như thế với trung tâm phản ứng sẽ làm cho sự đứt các liên kết và sự thủy phân được dễ dàng, thuận lợi Enzym colinesteraza và nhiều esteraza khác đều tác dụng thủy phân cơ chất theo cơ chế này

Một cơ chế khác liên hệ tính tác dụng của enzym với sự khuyết electron của liên kết bị thủy phân là: enzym làm tăng sự khuyết electron vốn đã tồn tại trước đó bằng cách tạo thành liên kết tương ứng với cơ chất ở những vị trí ít nhiều gần gũi với liên kết bị thủy phân Nhờ vậy ,làm cho sự phân bố electron trong phân tử cơ chất bị thay đổi theo một chiều hướng cần thiết, khiến cho việc đứt liên kết được dễ dàng hoặc khiến cho một trong hai nguyên tử của liên kết tương tác được với các tác nhân ái nhân.

III Đặc điểm chung của trung tâm hoạt động của enzyme thủy phân

Đa số enzyme thủy phân (hydrolase) không có nhóm ngoại Như vậy bắt buộc tâm hoạt động của chúng phải có các gốc axitamin đặc hiệu

Tâm hoạt động của enzyme hydrolase thường chứa nhóm imidazol của histidin và nhóm hydroxyl của một trong số các gốc serin

Nhiều hydrolase, người ta đã biết được thứ tự sắp xếp của các axitamin chung quanh tâm hoạt động:

Kimotripxin A — Gly — Asp — Ser — Gly —

Tripxin — Gly — Asp — Ser — Gly —

Trombin — Asp — Ser — Gly —

Kimotripxin — Asp — Ser — Gly —

Colinesteraza — Gly — Glu — Ser — Ala —

Carboxylesteraza — Gly — Glu — Ser — Ala —

IV Đặc điểm của các cơ chất bị enzyme thủy phân

1 Các cơ chất được enzyme thủy phân thường là protein, gluxit, lipit v.v

Theo Bernard Pullman và Alberte Pullman, đặc điểm chung của những cơ chất này là có "liên kết bị thủy phân" do các nguyên tử tích điện dương tạo nên Người ta gọi các liên kết này là "liên kết nhị dương"

Chẳng hạn, liên kết peptit trong protein:

O

R1 C N R2

H

Liên kết này do các electron σ định vị của liên kết đơn và một hệ thống eletron π

linh động tạo nên Hệ thống đó gồm bốn electron trong đó hai electron của nối kép

C = O và hai electron của cặp không chia của nitơ Bốn electron này tạo thành một hệ thống cộng hưởng và theo qui tắc chung: khi ở nguyên tử dị mạch nằm kề liền với nối kép có cặp electron không chia thì sẽ xảy ra sự chuyển dịch một phần điện tích của cặp không chia từ nguyên tử dị mạch tới nguyên tử cuối của nối kép Như vậy, sự phân bố điện tích trong liên kết peptit có thể như sau:

Ngoài ra do sự khác nhau về độ âm điện của nguyên tử carbon và oxy của liên kết C

= O, (có thể xem liên kết C = O như là sự lai hóa giữa cấu trúc đồng hóa trị C = O và cấu trúc ion C+ = O-) mà nguyên tử carbon cũng phải có điện tích tổng dương Như vậy các nguyên tử carbon và nitơ góp vào hệ thống electron π ít hơn một electron π Còn nguyên tử oxy góp vào hệ thống hơn một electron π, do đó có điện tích tổng âm

Nếu biểu diễn các phần điện tích đó bằng δ thì sự phân bố điện tích trong liên kết peptit như sau: -δ3

Bằng phương pháp quĩ đạo phân tử người ta đã tính được sự phân bố bốn electron của hệ thống như sau:

+0.25

Đặc trưng nhị dương này của liên kết được bảo toàn trước mọi công kích bất kỳ kể cả sự tấn công của enzyme.

Các liên kết nhị dương thường gặp

+ Liên kết este:

trong este của axit carboxylic

este của phenol: Ph — O — R

+ Liên kết trong các anhidrit, đặc biệt liên kết — P — O — P trong hợp chất

O+0.393 O+0.397 O+0.364+ Liên kết glucozit trong các polysacarit: Khác với các liên kết kể trên, liên kết glucozit chỉ có các electron σ mà không có electron π tham gia Trong trường hợp này, đóng vai trò phân cực là bộ electron σ Do hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm, gây ra một sự tập trung điện tích nào đó trên nguyên tử Oxy, do đó oxy tích điện âm, còn các nguyên tử carbon kết hợp với nó bị khuyết electron nên tích điện dương

2 Sự thủy phân bởi enzyme sẽ càng dễ dàng khi sự khuyết electron trong liên kết bị thủy phân càng lớn.

Sự khuyết đó có thể được tăng lên khi tăng tổng điện tích dương của cả hai nguyên tử tạo thành liên kết hoặc khi chỉ tăng điện tích của một trong hai

Nếu trong phân tử cơ chất có nhiều liên kết giống nhau thì liên kết nào nhị dương hơn cả sẽ bị phân ly thủy phân bởi enzyme ( với điều kiện không có án ngữ không gian và đặc hiệu lập thể của từng liên kết)

Chẳng hạn như trong phân tử alantoin có năm liên kết peptit, nhưng liên kết bị thủy phân trước tiên là liên kết có màu xanh như trong hình bên:

V Một số đặc điểm của phản ứng thủy phân bởi enzym

Thứ bậc của phản ứng

Sơ đồ chung của phản ứng thủy phân bởi enzym có thể biểu diễn như sau:

Cơ chất + nước Sản phẩm

Nhìn sơ đồ chúng ta thấy: phản ứng thủy phân bởi enzym là phản ứng lưỡng phân Nhưng vì nồng độ của nước rất lớn coi như không thay đổi trong suốt thời gian phản ứng,

do đó vận tốc của phản ứng chỉ phụ thuộc nồng độ cơ chất Như vậy, phản ứng thủy phân bởi enzym là phản ứng đơn phân và bậc nhất

Như chúng ta đều biết, trong các phản ứng đơn phân các phân tử khởi đầu sẽ phản

ứng một cách độc lập không phụ thuộc vào sự có mặt của những phân tử khác Nếu gọi a là số phân tử gam ban đầu của cơ chất, gọi x là số phân tử gam cơ chất bị thủy phân trong khoảng thời gian từ t tới t + dt, thì x sẽ tỉ lệ với khoảng thời gian dt và số phân tử gam còn lại (a – x) chưa bị thủy phân trong thời gian t ta sẽ có:

= = k(a – x)

Sau một số biến đổi ta sẽ có hệ thức để tính lượng cơ chất bị thủy phân trong khoảng thời gian bất kỳ:

x = a(1 – e-kt)Và hằng số vận tốc của phản ứng thủy phân bởi enzym k1:

1 =

Hydrolaza

Enzym

Tuy vậy trong giai đoạn đầu khi mà nồng độ của cơ chất rất lớn thì vận tốc của phản ứng coi như không thay đổi và phản ứng có thứ bậc không:

Như vậy, tất cả các phản ứng thủy phân bởi enzym trong giai đoạn đầu có thứ bậc không, sau đó phản ứng có thứ bậc nhất

VI Yếu tố điều chỉnh

Đối với phản ứng thủy phân bởi enzym thì nước không những là môi trường để khuếch tán enzym và cơ chất mà còn là tác nhân tham gia vào phản ứng Nước có ảnh hưởng không những đến vận tốc mà cả chiều hướng của phản ứng thủy phân bởi enzym Bằng thí nghiệm trộn tinh bột đã được hồ hóa và đã sấy thăng hoa với enzym α – amilaza của vi khuẩn, sau đó đem phun hơi nước đến những độ ẩm nhất định Người ta thấy khi hàm ẩm đạt 20% (khoảng 4% nước tự do) thì α – amilaza sẽ thủy phân tạo thành chủ yếu là glucoza và mantoza Khi hàm ẩm cao hơn thì ngoài glucoza và mantoza còn tạo thành các oligosacarit khác

Như vậy nước cũng là một yếu tố điều chỉnh các phản ứng thủy phân bởi enzym Có thể dùng nước làm nhân tố để tăng cường hay kìm hãm các phản ứng thủy phân có xúc tác enzym Khoa học về bảo quản các nguyên liệu có nguồn gốc sinh học chính là dựa trên nguyên lý này Như chúng ta đều biết, các nguyên liệu sinh học khi bảo quản có thể bị hư hỏng do một loạt các phản ứng phức tạp mà khởi đầu là phản ứng thủy phân bởi enzym Để bảo quản được tốt thì một trong những biện pháp kĩ thuật tương ứng là tách nước bằng cách phơi, sấy v.v các biện pháp kỹ thuật tương ứng để tách nước trong quá trình tinh luyện dầu béo cũng là nhằm ngăn ngừa phản ứng thủy phân bởi enzym lipaza.Ngoài ra, cũng như đối với những phản ứng enzym khác, có thể dùng yếu tố nhiệt độ và pH để điều chỉnh các phản ứng thủy phân bởi enzym Mỗi enzym thủy phân (hydrolaza) có một nhiệt độ và pH tối ưu riêng Ngay cũng một enzym hydrolaza nhưng lấy từ các nguồn khác nhau cũng có nhiệt độ và pH xúc tác thủy phân khác nhau Các quá trình đường hóa trong sản xuất bánh mì, trong sản xuất bia và trong sản xuất rượu là những quá trình thủy phân bằng enzym với mức độ khác nhau Quá trình sản xuất nước chấm, nước mắm, phomat, chao… thực chất cũng là những quá trình thủy phân bằng enzym với mức độ khác nhau Ở đây người ta chủ yếu là dựa vào nhiệt độ hoặc pH để điều chỉnh các phản ứng thủy phân theo những chiều hướng mong muốn

Khi thủy phân bằng enzym hydrolaza có một số ưu nhược điểm sau:

• Do enzym hydrolaza có tính đặc hiệu cao nên không tạo thành sản phẩm phụ do đó dịch thủy phân thu được có độ thuần khiết cao

• Phản ứng thủy phân bởi enzym tiến hành ở nhiệt độ thấp và pH cao, nghĩa là ở điều kiện tạo thành rất ít tạp chất (không có phản ứng đảo chiều và phản ứng phân hủy như trong thủy phân bằng axit) do đó vừa giảm được yêu cầu về độ

thuần khiết của nguyên liệu (có thể thủy phân trực tiếp trên nguyên liệu), vừa có hiệu suất cao.

• Khi thủy phân bằng enzym còn cho phép điều chỉnh được thành phần hóa học của sản phẩm, do đó làm tăng được mặt hàng

• Enzym hydrolaza có thể thủy phân trong điều kiện nồng độ cơ chất rất cao do đó giảm được chi phí hơi

• Thời gian thủy phân của enzym hydrolaza dài hơn so với axit nhiều, do đó chu kỳ sản xuất kéo dài

• Muốn có hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt phải có chế phẩm enzym tinh khiết do đó phải có phân xưởng chuyên sản xuất chế phẩm tinh khiết này

• Dung dịch do enzym thủy phân thường khó lọc hơn khi thủy phân bằng axit.Nhằm phát huy các ưu điểm và khắc phục các nhược điểm của phương pháp thủy phân bằng enzym, hiện nay trong một số ngành sản xuất thưucj phảm đang xuất hiện phương pháp thủy phân mới: Phương pháp thủy phân bằng axit – enzym và bằng enzym – axit

Phương pháp mới này kết hợp được tính chất nhanh chóng và đơn giản của thủy phân bằng axit và khả năng to lớn, tiềm tàng và đầy triển vọng của thủy phân bằng enzym

VII Ý nghĩa của phản ứng thủy phân

Phản ứng thủy phân là phản ứng rất phổ biến và rất quan trọng trong bảo quản và sản xuất thực phẩm Do phản ứng thủy phân mà chất lượng các sản phẩm thực phẩm bị giảm đi và cũng nhờ phản ứng thủy phân để tăng thêm phẩm chất cho thành phẩm Qua phản ứng thủy phân, không những chỉ các tính chất cảm quan mà các tính chất hóa học của sản phẩm cũng bị biến đổi

Phản ứng thủy phân thường là mở đầu cho một loạt các phản ứng khác tiếp diễn Các phản ứng khác chỉ có thể sảy ra khi phản ứng thủy phân kết thúc

Xét về mặt sinh học, phản ứng thủy phân thường đặc trưng cho giai đoạn phân giải – giai đoạn kết cùng của một quá trình sinh học

Bên cạnh đó, trong kỹ thuật sản xuất các sản phẩm thực phẩm, phản ứng thủy phân có vai trò rất quan trọng Để giảm bớt sự tổn thất các chất thực phẩm, người ta phải tìm những biện pháp kỹ thuật tương ứng để ngăn ngừa và hạn chế các phản ứng thủy phân Trái lại, nếu qua phản ứng thủy phân mà chất lượng thành phẩm tăng lên thì người ta phải tạo điều kiện cho phản ứng ấy xảy ra đến tận cùng

Chẳng hạn dầu mỡ hoặc các sản phẩm của hạt trong quá trình bảo quản chất lượng thường bị giảm đi, là do phản ứng thủy phân đã tạo điều kiện cho phản ứng oxy hóa tiếp diễn làm giảm phẩm chất của sản phẩm

Từ tinh bột, muốn có được đường nha hay đường glucose người ta phải tạo điều kiện để phản ứng thủy phân tinh bột bằng enzyme đạt đến mức tối đa Để có được nước mắm hay nước chấm, phomat hay chao, hoặc làm mềm thịt đều xuất phát từ nguyên lý của phản ứng thủy phân Hoặc như trong sản xuất bánh mì, các phản ứng oxy hóa, caramen hóa và melanoidin, nghĩa là những phản ứng tạo nên toàn bộ chất lượng của sản phẩm bánh chỉ có thể xảy ra khi đã có phản ứng thủy phân mở đầu

Quá trình sản xuất rượu, bia thực chất là quá trình oxy hóa sinh học, nhưng để có được quá trình thực chất này trước đó phải có phản ứng thủy phân Vì vậy, trước khi cho lên men rượu người ta phải đường hóa tinh bột thành đường, nghĩa là phải thực hiện phản ứng thủy phân.

VIII Một vài enzym hydrolase điển hình và ứng dụng của chúng trong thực phẩm

8.1 Enzym amilase

Amylase là một hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật Các enzyme này thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm polysaccharide với sự tham gia của nước:

R-R’ + H-OH à R-H + R’-OH

Có 6 loại enzyme được xếp vào 2 nhóm: - Endoamylase ( enzyme nội bào)

- Exoamylase ( enzyme ngoại bào)Endoamylase gồm có α-amylase và nhóm enzyme khử nhánh

Nhóm enzyme khử nhánh này được chia thành 2 loại: Khử trực tiếp là Pullulanase ( hay α-dextrin 6-glucosidase); khử gián tiếp là Transglucosylase (hay oligo-1,6-glucosidase) và maylo-1,6-glucosidase

Các enzyme này thủy phân các liên kết bên trong của chuỗi polysaccharide

Exoamylase gồm có β-amylase và γ-amylase Đây là những enzyme thủy phân tinh bột

từ đầu không khử của chuỗi polysaccharide

+ Đặc tính và cơ chế tác dụng của enzyme amylase:

Tùy vào mỗi loại và vào các nguồn khác nhau sẽ có thành phần amino acid khác nhau

a) Đặc tính của enzyme amylase:

 Tính chất vật lý :

- Trọng lượng phân tử của α-amylase nấm mốc: 45.000-50.000 D

- Amylase dễ tan trong nước, trong dung dịch muối và rượu loãng

- Protein của các α-amylase có tính acid yếu và có tính chất của globuline

- Điểm đẳng điện nằm trong vùng pH=4,2-5,7 ( Bernfeld P, 1951 )

 Cấu tạo :

Mỗi loại α-amylase có một tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng α-amylase là một protein giàu tyrosine, tryptophan, acid glutamic và aspartic Các glutamic acid và aspartic acid chiếm khoảng ¼ tổng lượng amino acid cấu thành nên phân tử enzyme

α-amylase có ít methionine và có khoảng 7-10 gốc cysteine

α-amylase là một metaloenzyme Mỗi phân tử α-amylase đều có chứa từ 1 đến 30 nguyên tử gam Ca/1 mol, nhưng không ít hơn 1-6 nguyên tử gam/mol Ca tham gia vào sự

hình thành và ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme, duy trì hoạt động của enzyme Do đó,

Ca còn có vai trò duy trì sự tồn tại của enzyme khi bị tác động bởi các tác nhân gây biến tính và của các enzyme phân giải protein Nếu phân tử amylase bị loại bỏ hết Ca thì nó sẽ hoàn toàn mất hết khả năng thủy phân cơ chất

Do có hàm lượng Ca trong phân tử và nồng độ Mg2+ cao nên α-amylase bền với nhiệt độ hơn các enzyme khác

Tất cả các amylase đều bị kìm hãm bởi các kim loại nặng như Cu2+, Ag+, Hg2+ Một

số kim loại như Li+, Na+, Cr3+, Mn2+, Zn2+, Co2+ ,Sn2+, không có ảnh hưởng mấy đến enzyme α-amylase

Riêng α-amylase của Asp.Oryzae (thuộc chủng nấm mốc Aspergillus Oryzae) có chứa phần phi protein là poly saccharide, nhưng nó không tham gia vào thành phần của trung tâm hoạt động và nằm ở phía trong phân tử enzyme

α-amylase của nấm mốc hầu như chỉ tấn công vào những hạt tinh bột bị thương tổn Sản phẩm cuối cùng của thủy phân α-amylase nấm mốc là glucose và maltose

α-amylase của nấm sợi không tấn công vào liên kết α-1,6 glucoside của amilopectin, nên khi thủy phân nó sẽ tạo thành các dextrin tới hạn phân nhánh Đây là một cấu trúc phân tử tinh bột do enzyme α-amylase phân cắt tạo thành các dextrin tới hạn phân nhánh.Sản phẩm thủy phân cuối cùng của thủy phân α-amylase nấm sợi là maltose và maltotriose

b) Cơ chế tác dụng của enzyme α-amylase:

α-amylase (1,4-α-glucan-glucanhydrolase) có khả năng phân cách các liên kết

α-1,4 glucoside nằm ở phía bên trong phân tử cơ chất (tinh bột hay glycogen) một cách ngẫu nhiên, không theo một trật tự nào cả

Quá trình thủy phân tinh bột bởi α-amylase là một quá trình đa giai đoạn:

Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo một lượng lớn phân tử α-dextrin Độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh chóng

Sang giai đoạn hai (giai đoạn đường hóa): các phân tử α-dextrin tiếp tục bị thủy phân tạo ra các tetra-trimaltose không màu với thuốc thử iodine Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi α-amylase cho đến khi tạo thành các disaccharide và cuối cùng là monosaccharide

MaltotetroseAmylose à oligosaccharide à Maltotriose à 13%glucose

19% glucoseAmylopectin à 72% maltose

8% isomaltoseDextrin phân tử thấpTóm lại, dưới tác dụng của α-amylase, tinh bột có thể chuyển thành glucose, maltose, maltotetrose, dextrin phân tử thấp Tuy nhiên, thông thường α-amylase chỉ thủy phân tinh

bột thành chủ yếu là dextrin phân tử thấp,và một ít maltose Khả năng dextrin hóa cao là một đặc trưng cơ bản của α-amylase, do vậy người ta còn gọi α-amylase là amylase dextrin hóa hay amylase dịch hóa.

c) Ứng dụng

Hiện nay, việc sản xuất chế phẩm enzyme các loại đã và đang phát triễn mạnh trên qui

mô công nghiệp Thực tế đã có hàng nghìn chế phẩm enzyme bán trên thị trường thế giới, các chế phẩm này đã được khai thác và tinh chế có mức độ tinh khiết theo tiêu chuẩn công nghiệp và ứng dụng Chế phẩm enzyme không chỉ được ứng dụng trong y học mà còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau, trong nông nghiệp, trong hóa học… Theo thời gian, enzyme công nghiệp ngày càng được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó những enzyme ứng dụng nhiều nhất là protease, cellulose, ligase, amylase,…

và một số enzyme đặc biêt khác đã thu được rất nhiều lợi nhuận từ ngành này Dưới đây là một vài ứng dụng thực tế:

Ứng dụng amylase trong sản xuất bia

Trong công nghệ sản xuất bia truyền thống, các nước phương Tây chủ yếu sử dụng enzyme amylase của malt để thủy phân tinh bột trong malt, sau đó đến giai đoạn rượu hóa bởi nấm men Saccharomyces sp Cơ sở khoa học của việc sử dụng amylase của malt ở chỗ, khi đại mạch chuyển từ trạng thái hạt sang trạng thái nảy mầm (malt), enzyme amylase sẽ được tổng hợp và khi đó enzyme này sẽ thủy phân tinh bột có trong hạt tạo ra năng lượng và vật chất cho sự tạo thành mầm Như vậy việc đường hóa tinh bột trong hạt nhờ enzyme của chính nó Khi đó hạt chỉ tổng hợp ra lượng enzyme amylase vừa đủ để phân hủy lượng tinh bột có trong hạt Như thế cần rất nhiều mầm đại mạch để sản xuất bia ở qui mô lớn, dẫn đến chi phí cao cho sản xuất và sản phẩm

Để khắc phục điều này, trong quá trình lên men tạo bia thì nhà sản xuất không sử dụng hoàn tòan 100% nguyên liệu là malt đại mạch mà có sự pha trộn theo một công thức nào đó

để thay thế malt và còn bổ sung nguồn tinh bột cho quá trịnh lên men Lý do là một phần để tạo hương vị cho bia, màu sắc, độ cồn phù hợp cho người tiêu dùng và một phần là làm giảm giá thành cho sản phẩm bia nhưng vẫn giữ được đặc trưng cho bia Chính vì điều này, các nhà sản xuất bia quan tâm đến việc sử dụng chế phẩm enzyme amylase cung cấp cho quá trình thủy phân tinh bột Enzyme này có ý nghĩa rất lớn trong việc làm bia, giúp sản xuất bia

ở qui mô công nghiệp

Ngoài ra, trong sản xuất bia, người ta còn sử dụng chế phẩm enzyme cellulose có tác dụng phá vỡ thành tế bào, tạo điều kiện để các thành phần có trong tế bào hạt thóat ra phía ngoài nhờ đó chất lượng bia được nâng cao hơn Một loại enzyme khác cũng được sử dụng khá rộng rãi đó là gluco amylase, enzyme này được sử dụng để loại trừ O2 có trong bia, giúp quá trình bảo quản bia kéo dài hơn rất nhiều

Ứng dụng amylase trong sản xuất rượu:

Để sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu tinh bột, mỗi nước sử dụng các loại nguyên liệu khác nhau.Ví dụ, ở Mỹ người ta sử dụng nguyên liệu từ bột ngô để sản xuất cồn, còn ở Brazin lại sử dụng khoai mì, các nước khác sử dụng gạo hoặc tấm từ gạo Qúa trình sản xuất cồn trải qua hai giai đọan: giai đọan đường hóa và giai đọan rượu hóa

Giai đoạn đường hóa: Người ta bắt buộc phải sử dụng enzyme amylase (không thể sử dụng phương pháp thủy phân tinh bột bằng acid ) Người Nhật đã biết sử dụng enzyme của nấm mốc trong quá trình đường hóa để sản xuất rượu Sake từ cách đây hơn 1700 năm Người Trung Quốc thì đã sử dụng nhiều loại nấm mốc để đường hóa rượu trong sản xuất rượu cách đây 4000 năm Còn người Việt Nam đã biết sản xuất rượu từ gạo cách đây hàng ngàn năm

Riêng ở Mỹ, mãi đến thế kỷ XIX khi Takamine người Nhật đưa nấm mốc Aspergillus sang mới biết sử dụng enzyme này thay amylase của malt để sản xuất cồn Chính vì thế mới

có phương pháp Micomalt ( mầm mốc) trong sản xuất cồn và rượu Nhờ sự du nhập kỹ thuật này từ Nhật mà người Mỹ tiết kiệm được một khối lượng malt khổng lồ trong sản xuất rượu.Giai đoạn rượu hóa: Nhờ nấm men Saccharomyces cerevisiae, cũng có thể xem đây là một quá trình áp dụng enzyme Qúa trình rượu hóa là quá trình hết sức phức tạp, trải qua rất nhiều giai đoạn chuyển hóa từ đường thành cồn nhờ sự tham gia của nhiều enzyme khác nhau Điểm khác với enzyme amylase là ở chổ các enzyme tham gia quá trình rượu hóa nằm trong tế bào nấm men Việc điều khiển các quá trình chuyển hóa bởi enzyme trong tế bào thực chất là quá trình trao đổi chất của nấm men trong môi trường chứa đường

8.2 Hệ enzym Protease

Protease (peptit – hidrolase 3.4) là tên gọi chung cho nhóm enzyme xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptit (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptit đến sản phẩm cuối cùng là các axit amin, pepton hoặc di-tripepton Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển axit amin

Các loại protease

Protease được phân loại dựa trên các đặc điểm riêng của chúng cũng như cấu tạo trung tâm hoạt động enzyme, hiện tại được chia làm 6 nhóm chính :

- Glutamic acid proteases

Hiên chúng ta sử dụng 3 nguồn nguyên liệu sinh học cơ bản để thu nhận protease: các mô và cơ động vật, mô và cơ quan thực vật, tế bào vi sinh vật

Protease là enzyme được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong một số ngành sản xuất như: chế biến thực phẩm (đông tụ sữa làm pho mát, làm mềm thịt, bổ sung để làm tăng chất lượng sản phẩm trong sản xuất bia, xử lý phế phụ phẩm trong chế biến thực phẩm…), sản xuất chất tẩy rửa, thuộc da, y tế, nông nghiệp…

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 nấu canh thịt bò; dùng rau sống là chuối chát, vả kết hợp thức ăn nhiều thịt; đu đủ trong chống táo bón…mà thực chất là sử dụng papain, bromelain, fixin Người Nga 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 nghệ sản xuất các loại dịch thủy phân giàu protein đã được áp dụng một cách có hiệu quả tính năng của protease

Protease là một công cụ để chế biến các phế liệu của công nghiệp thực phẩm thành thức ăn cho người và vật nuôi Người ta còn khai thác tính đông tụ như của renin, pepsin vào công nghiệp thực phẩm như trong sản xuất phomat

Protease phân bố ở thực vật, động vật, vi sinh vật Tuy nhiên nguồn enzyme ở vi sinh vật phong phú nhất, có ở hầu hết các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc và xạ khuẩn… Có thể nói vi sinh vật là nguồn nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất enzyme ở quy mô lớn dùng trong công nghệ và đời sống

8.3 Pectinase

Pectinase là nhóm enzym xúc tác cho sự thủy phân pectin, đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, nhất là trong công nghiệp sản xuất các loại nước ép trái cây Ðặc biệt, dạng enzyme cố định được sử dụng rất hiệu quả vì có nhiều ưu điểm hơn hẳn dạng enzyme thông thường (enzyme hòa tan) Pectinase đã được dùng trong một số ngành công 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

- Sản xuất cà phê

Chế phẩm pectinase được sử dụng trong sản xuất nước quả từ các nguyên liệu quả nghiền hay để làm trong nước quả ép Bởi vì khi có pectin thì khối quả nghiền sẽ có trạng thái keo, do đó khi ép dịch quả không thóat ra được Nhờ pectinase mà nước quả trong suốt, dễ lọc, hiệu suất tăng 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 cho thấy khi ép nho có xử lý bằng pectinase không những làm tăng hiệu suất mà còn làm tăng màu sắc

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

Cũng giống như protease, chế phẩm pectinase được thu nhận từ vi sinh vật, nấm mốc, xạ khuẩn… đặc biệt là các chủng nấm Asp Ficuum và Asp Niger có khả năng tổng hợp pectinase cao nhất

8.4 Cellulase

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 nguyên liệu,phế liệu của các ngành trồng trọt và lâm nghiệp Nhưng người và động vật không có khả năng phân giải cellulose Cellulase là enzyme xúc tác cho quá trình chuyển hoá Cellulose thành các sản phẩm hoà tan Nó chỉ có giá trị làm tăng tiêu hóa, nhưng với 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 được tăng 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 tảo biển…

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

Trong sản xuất agar-agar, tác dụng của chế phẩm cellulase sẽ làm tăng chất lượng agar-agar hơn so với phương pháp dùng acid để phá vỡ thành tế bào Đặt biệt là việc 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

B PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ SINH HỌC

I. Ý NGHĨA CỦA PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ SINH HỌC TRONG

Enzyme đặc biệt chính là quá trình Oxy hóa - khử sinh học

Nguyên liệu dùng chế biến lương thực, thực phẩm thường là các cơ thể sống hoặc mô sống Và các tác nhân chuyển hóa trong một số ngành thực phẩm như Công nghiệp lên men lại là vi sinh vật Vì vậy, trong công nghiệp thực phẩm quá trình Oxy hóa – khử có ý nghĩa hết sức quan trọng

Trong chế biến thực phẩm, nhiều quá trình Oxy hóa – khử sinh học tạo ra màu sắc đẹp, vị ngon, hương thơm làm cho sản phẩm thực phẩm có tính chất đặc trưng riêng hoặc làm tăng giá trị cảm quan và tiêu dùng của sản phẩm Chẳng hạn như: Ứng dụng điều chỉnh hệ Enzyme polyphenoloxydaza trong chè xanh để tạo ra những sản phẩm có màu sắc và mùi vị khác nhau (chè đen, chè xanh, chè đỏ ) Trong chế biến thuốc lá, ca cao người ta cũng ứng dụng hệ enzyme này

Theo quan điểm hóa học thì sự lên men là quá trình phân giải oxy hóa- khử đường do

hệ enzyme của vi sinh vật tiến hành trong điều kiện yếm khí Năng lượng giải phóng ra khi oxy hóa chất đường cũng được dùng để tạo ra các hợp chất cao năng nhằm thỏa mãn nhu cầu năng lượng của vi sinh vật Tuy nhiên, phần lớn năng lượng giải phóng lại tán xạ dưới dạng nhiệt năng Về quan điểm năng lượng thì sự lên men và các quá trình phân giải yếm khí glucoza là bất lợi, không kinh tế; bởi lẽ những sản phẩm cuối cùng của sự lên men còn tàng trữ trong phân tử một thế năng lớn cho nên muốn cung cấp đủ năng lượng cho hoạt động sống, vi sinh vật cần phân giải một lượng lớn đường do đó cũng tạo một lượng lớn sản phẩm cuối cùng Người ta đã lợi dụng điều này để sản xuất rượu, bia, dấm, acid thực phẩm vì vậy có thể nói rằng các phản ứng oxy hóa – khử là cơ sỡ của nghành công nghiệp lên men

Quá trình hô hấp hay quá trình phân giải oxy hóa – khử các chất dinh dưỡng trong cơ thể vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí có tầm quang trọng đặc biệt trong kỹ thuật bảo quản và chế biến lương thực thực phẩm

Glucid là nguyên liệu chính của sự hô hấp ở rau quả, củ, hạt, và các sản phẩm giàu glucid có nguồn gốc từ thực vật trong thời gian bảo quản thường xảy ra quá trình hô hấp, quá trình phân giải oxy hóa – khử sinh học này thường làm giảm trọng lượng khô của nguyên liệu, gây hao hụt sản phẩm, tạo ra CO2 và hấp thụ O2 , gây sự thoát nước làm tăng

độ ẩm và sinh nhiệt do đó có thể dẫn đến hiện tượng tự đốt nóng vì thế trong trường

hợp cụ thể trong bảo quản người ta thường tìm cách hạn chế tối thiểu các quá trình oxy hóa – khử bất lợi đó, chẳng hạn như:

 Rút ngắn thời gian chế biến để giảm thời gian của các phản ứng Oxy hóa và nhanh chóng làm vô hoạt enzyme oxy hóa- khử

 Loại trừ oxy không khí

 Bảo quản nguyên liệu và bán thành phẩm ở nhiệt độ thấp

 Dùng các chất chống oxy hóa,…

Tóm lại, đối với cơ thể sinh vật, các phản ứng oxy hóa – khử sinh học có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong sự trao đổi chất cũng như trao đổi năng lượng

Riêng đối với công nghiệp thực phẩm, các phản ứng Oxy hóa – khử sinh học có thể

có lợi hoặc bất lợi tùy theo mục đích cụ thể, đối tượng bảo quản và chế biến Điểm quan trọng ở đây là sự khám phá và hiểu biết sâu sắc về cơ chế của các phản ứng Oxy hóa sinh học đã cho phép con người điều khiển được chúng vào những mục đích mong muốn

II CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH OXY HÓA KHỬ SINH HỌC:

1 Các thuyết oxy hóa sinh học cổ điển:

Từ lâu các nhà khoa học đã quan tâm đến vấn đề bản chất của sự Oxy hóa sinh học Ngay từ thế kỉ XVIII Lavoisier đã chỉ rằng trong sự hô hấp cũng như sự cháy, oxy không khí oxy hóa các chất của cơ thể tạo thành nước và khí cacbonic Ông khẳng định “ Sự hô hấp – đó là sự cháy chậm và hoàn toàn giống như sự cháy của than” Lịch sử của vấn đề Oxy hóa sinh học bắt đầu từ đây, từ khi

Lavoisier sang lập ra học thuyết về sự cháy và hô hấp (1774 – 1777) Ở thời kì này người ta xem sự oxy hóa sinh học và sự cháy thông thường là một Song, việc nghiên cứu các loại quá trình oxy hóa khác nhau sau này cho thấy Lavoisier chỉ đúng khi đánh giá toàn bộ quá trình Thực ra về bản chất thì sự oxy hóa chậm các chất hữu cơ trong cơ thể khác xa với sự cháy thông thường, mặc dù các sản phẩm chuyển hóa cuối cùng của cả hai hiện tượng trên đều là nước và CO2 Tuy nhiên sáng lập này đã tạo tiền đề cho việc nghiên cứu bản chất các quá trình oxy hóa sinh học sau này Trong các thuyết hoạt hóa oxy và hoạt hóa hydro sau đó thì thuyết peroxyt của Bach và thuyết khử hydro của Palladin – Wieland là có nghĩa hơn cả

a. Thuyết peroxyt của Bach :

• Nội dung : Sự oxy hóa là sự kết hợp oxy phân tử vào chất bị oxy hóa để tạo

ra peroxyt, khi đó phân tử ( O = O) tham gia vào phản ứng ở dạng

nhóm – O – O –