Đề tài Các loại enzim thương mại

A/ SƠ LƯỢC VỀ ENZIM Định nghĩa Enzim là những chất xúc tác hữu cơ có tính đặc hiệu cao đối với cơ chất do tế bào sóng tổng hợp nên, điều kiện vận tốc và sự chuyển hóa của hàng ngàn phản ứng hóa học xảy ra trong sinh chất. Enzim rất có ích cho con người trong việc nghiên cứu và sử dụng chúng để giải quyết các vấn đề quan trọng của khoa học, công nghệ và kinh tế quốc dân. Người ta ca ngợi chúng bằng những hình dung từ đẹp đẽ “máy phân tử” “ thống soái” và “kỳ diệu” của cơ thể Đặc điểm enzim Mọi tế bào đều tổng hợp enzim theo nhu cầu của chuyển hóa của tế bào. Các enzym đó hoạt động trong tế bào và được gọi là enzim nội bào. Một số tế bào tổng hợp những enzim và bài xuất chúng ra ngoài tế bào nhằm mục tiêu thực hiện chức năng nhất định cho cơ thể. Đó là loại enzim ngoại bào thí dụ các tuyến tiêu hóa tiết ra các enzim tiêu hóa trong các dịch tiêu hóa Theo điều kiện hoạt động người ta chia enzim thành hai loại Enzym không cần cộng tố (cofactor): đó là các enzim có bản chất protein thuần chúng gòm các enzim thủy phẩn, thí dụ amyplase, pepsin, trypsin.. Enzim cần cộng tố gồm 2 phần: phần Protein được gọi là apoenzym và phần cộng tố có bản chất không phải là protid. Apoenzym kết hợp với các cộng tố thì chúng tạo thành enzim đầy đủ (holoenzym) có hoạt tính xúc tác. Khi tách riêng thì apoenzym và cộng tố không có hoạt tính xúc tác của enzim. Cộng tố có thể là ion kim loại (thí dụ Zn2+, Mg2+, Mn2+…)hoặc hữu cơ. Trường hợp cộng tố là hữu cơ thì nó được gọi là coenzym. Nhóm các enzim có coenzym gắn chặt với apoenzym và có những enzim có coenzym gắn lỏng lẻo với apoenzym Apoenzym là protein, không chịu được nhiệt và nó quyết định tính đặc hiệu của enzim (mỗi apoenzym ứng với một cơ chất nhất định) Coenzym là phần tử cơ tương đối nhỏ, chịu được nhiệt, có thể thẩm tích được (trường hợp coenzym gắn lỏng lẻo với apoenzym), trực tiếp tham gia vận chuyển điện tử hydro hoặc nhóm hóa học trong phản ứng do enzim xúc tác, thường có vitamin tan trong nước tham gia cấu tạo. Mỗi enzim có một apoenzym tương ứng có cơ chất tương tự. Nhưng nhiều enzim khác nhau có thể có cùng một loại coenzym. Thí dụ hai enzim khử hydro dehydrogense ứng khử hydro của hai cơ chất khác nhau (hình 8.2) Enzin có tính đặc hiệu cao, mỗi enzin chỉ tác dụng lên một chất nhất định mà không gây nên một biếm đổi gì đối với các chất khác bên cạnh. Tính chất này rất quan trọng đặc biệt là khi chế biến các nguyên liệu có nguồn gốc sinh vật, có thành phần hóa học rất phức tạp Enzin tác dụng trong điều kiện tương đói “êm dịu” và phản ứng do enzim xúc tác lại dễ dàng điều chỉnh. Đặc điểm này có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc sản xuất chế phẩm enzim xét về phương diện tiết kiệm, thiết lập quy trình kỹ thuật và tổ chức sản xuất lớn: Enzim đều có nguồn gốc tự nhiên, không độc. Đặc điểm này lại càng quan trọng đối với các ngành thực phẩm và y học Phân loại và cấu trúc enzim Dựa vào loại phản ứng mà enzim xúc tác người ta chia enzim làm 6 loại (theo đúng trình tự loại số 1 ® 6) Enzim loại Tên Cơ chế phản ứng xúc tác Phản ứng tổng quát 1 Oxydoreductase Oxy hóa-khử (Cho nhận điện tử hydro, oxy) D Aox + Bkh 2 Transferase Chuyển nhóm hóa học (amin, glucosyl, photphat, acyl, methyl…) AB + CD ® AC + BD 3 Hydrolase Thủy phân (liên kết este, glycosid, peptid, ête…) R1R2 + HOH ® R1H +R2OH 4 Lyase Phân cắt (không có nước tham gia) AB ® A + B 5 Isomerase Đồng phân hóa (đồng phân quan học,hóa học, epime A ® B 6 Lygase (gồm cả Sythetase và Synthase) Tổng hợp A + B ® AB Trong 6 loại enzim trên, mỗi loại lai được chia thành nhiều nhóm: mỗi nhóm được chia thành nhiều phân nhóm; mỗi phân nhóm gồm nhiều enzim. Gọi tên một cách có hệ thống, chính xác thì ngoài tên theo danh pháp, mỗi enzim còn được ký hiệu bằng bốn con số: số thứ nhất chỉ loại, số thứ hai chỉ nhóm, số thứ ba chỉ phân nhóm, số thứ tư chỉ thứ tự của bản thân enzim trong phân nhóm. Trước 4 chữ số còn có chữ EC (Enzyme Committee: ủy ban enzim) Thí dụ: enzim lactat đehyrogenase (LDH) EC 1.1.1.27 Enzim Creatin Kinase (CK): EC 2.7.3.2; Adenosin Triphosphate: Creatin N Phosphotransferase Cấu trúc Phân tử enzim chính là phân tử Protein gồm hàng trăm acid amin nối với nhau thành một hoặc nhiều chuỗi polypeptid. Có hai loại enzim Enzim gồm một chuỗi polypeptid, thí dụ Ribonuclease gồm 124 acid amin nối với nhau thành một chuỗi polypeptid Enzim gồm nhiều chuỗi polypeptid, mỗi chuỗi được gọi là một bán đơn vị hay một protome,còn phân tử enzim là một oligome. Cấu truc bán đơn vị của một enzim là số lượng và sự sắp xếp các bán đơn vị của phân tử enzim. Thường số bán đơn vị là chẵn. Thí dụ: LDH (PTL = 140.000) có 4 BĐV (PTL = 35.000) Catalase (PTL = 252.000) có 6 BĐV (PTL = 42.000) Urêase (PTL = 480.000) có 8 BĐV (PTL = 60.000) Trung tâm hoạt động là một bộ phận nhỏ của enzim, là nơi kết hợp với cộng tố (nếu có) và với cơ chất. Nó gồm những nhóm hóa học trực tiếp tham gia tạo thành hoặc cắt đứt các liên kết của cơ chất, nhóm đó được gọi là “nhóm xúc tác”. Trung tâm hoạt động gồm một số acid thường là serin, histidin, tryptophan, cystein, lysin, arginnin, glutamat. Những acid aminh của TTHĐ ở những vị trí khác nhau trong chuỗi Polypeptid xoắn cuộn lại, những acid amin ở những vị trí xa nhau đó lại trở thành gần nhau tạo thành TTHĐ có cấu trúc 3 chiều Hình 8: thứ tự các acid amin (a) của TTHĐ trong chuỗi Polypeptid Chuỗi Polypeptid xoắn cuộn (b), các acid amin trên trở nên gần nhau và tạo thành TTHĐ của enzim Trong phản ứng enzim cơ cấu kết hợp với enzim một cách đặc biệt hiệu có sự ăn khớp về mặt cấu trúc giữa cơ chất và TTHĐ của enzim. Có 2 thuyết về sự ăn khớp này: mô hình “chìa” khóa – ổ khóa của Fischer (cơ chất ví như chìa khóa TTHĐ ví như ổ khóa, khi chưa kết hợp chúng đã có cấu trúc không gian phù hợp) và mô hình “cảm ứng” của Koshland (giữa cơ chất và TTHĐ không có sự phù hợp về cấu trúc không gian, chỉ khi cơ chất tiếp xúc với TTHĐ thì TTHĐ cảm ứng và thay đổi cấu trúc sao cho TTHĐ và cơ chất ăn khớp với nhau). Nay người ta thừa nhận mô hình của Koshland. Hình 8.4 trình bày 2 mô hình đó Hình 8.4 hai mô hình ăn khớp về sự ăn khớp giữa cơ chất và TTHĐ của enzim Enzim nào cũng có TTHĐ, một số enzim có 2 TTHĐ (thí dụ alcol dehydrogenase) B/ VAI TRÒ CỦA ENZIM D Dựa trên những đặc tính đó mà trong công nghiệp có thể hợp lý hoác hoặc rút ngắn các quá trình sản xuất, thay đổi triệt để một số quy trình kỹ thuật cũ, lập nên những quy trình kỹ thuật mới, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm, mở rộng phạm vi sử dụng nguyên liệu dễ dàng tổ chức sản xuất lớn, giảm nhẹ điều kiện lao động, nâng cao trình đô vệ sinh của xí nghiệp, tiết kiệm nguyên vật liệu… C/ MỘT SỐ LOẠI ENZIM THƯƠNG MẠI VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG Amilaza 1. các loại enzim amilaza Các enzim đường hóa do vi sinh vật tổng hợp nên, mặc dầu cùng tác dụng lên cơ chất tinh bột, nhưng lại khác nhau về tính chất, cơ chế tác dụng cũng như sản phẩm cuối cùng của sự thủy phân. Đối với nâm mốc Aspergillus, trong canh trường của chúng thường có những enzim sau: a amilaza: (3.2.1.1 ,a -1,4 – glucanhyrolaza) Glucoamilaza (3.2.1.3, a -1,4 – glucanglucohydrolaza) Gluczylransferaza (2.4.1.3, a-1,4 glucan: D- glucoza – 4– glucoziltransferaza) Đa số chủng loại aspergillus oryzae có nhiều a - amilaza song có rất ít glucoamilaz và gluczylransferaza. Ở mốc đen ( A. niger , A. awanori) và mộtt số loài khác thì có tỉ lệ enzim đó ngược lại của nấm mốc a amilaza: Về cơ chế tácd dụng, người ta thấy rằng a - amilaza của nấm móc cắt đứt được tất cả các liên kết ,a -1,4 – glucozit trong mạch polysacarit, trừ điểm phân nhánh trong amilopeptin, để tạo thành maltoza và dextrin giới hạn. Như vậy chúng có khả năng chuyển 80 – 82% tinh bôl thành maltoza. Một đặ điểm nữa là a - amilaza hầu như không có tác dụng trên tinh bột nguyên thủy, nhưng tác dụng thủy phân hồ tinh bột thì rất nhanh Khi thủy phân tinh bột a - amilaza thương thì xẩy ra hai giai đoạn sau Giai đoạn đầu: chỉ một số liên kết trong phân tử bị đứt và độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh Giai đoạn hai: thủy phân các dixtrin phân tử lớn hơn vừa được tạo thành Tính chất đặc trưng của a - amilaza là khả năng dextrin hóa cao, do đó làm cho phản ứng màu của tinh bột với ion bị biến đổi nhanh chóng. Chính người ta dựa vào tính chất này để xác định hoạt độ của enzim một cách định tính a - amilaza của A. oryzea có phân tử lượng khoảng 45.000 là một metaloenaim (enzim cơ kim). Hoạt đọng của a - amilaza có liên quan mật thiết với sự có mặt của enzim PH tối ưu của a - amilaza của nấm môc là 4,7 – 4,9 Amilaza của vi khuản cũng thuộc kiểu a - amilaza, nhưng có một số tính chất khác với a - amilaza của nấm mốc. Đó là khả năng dịch hóa (hòa tan) và dextrin hóa tinh bột rất cao, còn khả năng đường hóa (tạo ra maltoza) tương đôi yếu. Nhiều amilaza vủa vi khuẩn đặc biệt là của vi khuẩn ưa ẩm, rất bền vững đối với nhiệt độ cao ( 900C) Trong canh trường của vi khuẩn thường chỉ tạo thành a - amilaza. Trong phân tử amilaza, từ vi khuẩn cũng có chứa canxi nhiều hơn. Khi có mặt ino Zn2+ thì phân tử ở dạng dime PH tối ưu của amilaza vi khuẩn là 5,9 – 6 Glucoamilaza: (3.2.1.3, a -1,4 – glucanglucohydrolaza) hay còn gọi là g - amilaza có khả năng cắt đứt tưng đơn vị glucoza từ đầu không khử tinh bột. Khi thủy phân tinh bột bởi glucoamilaza bên cạnh glucoza cũng có thể tạo ra oligosacarit. Glucoamilaza cũng có thể thủy phân liên kết a - 1,6 – glucozit trong các oligo – và glucohydrolaza. Ngoài ra glucoamilaza cũng có khả năng phân cắt glucogen, amilopectin, dextrin giới hạn, izomaltoza và maltoza đến glucoza Glucoamilaza của Aspergillus và Rhizopus có độ bền cao đối với độ ion H+ Glucozyltrasferaza. Là người bạn đồng hành với glucoamilaza nhưng lại không thuộc nhóm enzim thủy phân. Enzim này xúc tác sự chuyển gốc glucoza đến phân tử maltoza, để tạo thành các oligosacarit cao có chứa liên kết a - 1,6 Oligo Oligo – 1,6 – glucozidaza ( 3.2.1.10) hay dextrin - s - glucanhydrolaza. Enzim này cũng là dextrinaza và có thể liên kết 1,6 – glucozit trong izomaltoza, pazona và dextrin giơi hạn … Aspergillus awamori, Aspergillus oryzae và Aspergillus usamii chứa nhiều enzim này Maltaza Maltaza hay a - glucozidiza) hay a -D –glucozitglucohydrolaza (3.2.1.20) Enzim này có chứa nhiều trong loại nấm. Về cơ chế tác dụng thì tương tự như glucoamilaza, nghiaz là tác dụng được maltoza, nhưng có khác là không thủy phân được tinh bột. Maltaza còn có khả năng chuyển gốc glucoza. Nhiều tác giả khi nghiên cứu tính chất của maltaza trừ canh trường bề mạt của As oryzae đều nhận thấy răng maltaza và glucozyltransfedaza chỉ là một enzim, nhưng vừa có khả năng thủy phân maltoza vừa có khả năng chuyển gốc glucoza đến đường và rượu 2. Các ứng dụng của enzim amilaza Tùy theo yêu cầu về chất lượng của sản phẩm và đặc tính riêng của tưng nguồn amilaza để sử dụng các chế phẩm amilaza mộtcách hợp lý. Chẳng hạn để rũ hồ trên vải người ta sử dụng chế phẩm amilaza từ vi khuẩn. Vì vi khuẩn chứa chủ yếu là a - amilaza bền đối với nhiệt độ cao (phù hợp với điều kiện nhiệt độ trong quá trình sản xuất). Ngoài ra cũng không cần thiết phải dùng chế phẩm sạch lắm. Trái lại trong sản xuất bánh mì thì không thể dùng chế phẩm amilaza của vi khuẩn vì lẽ dextrin sẽ tạo ra quá nhiều ngay cả khi nướng, do đó chất lượng bánh sẽ xấu Amilaza thường được sử dụng trong lĩn vự như trong bản 11.3 Lĩnh vực sử dụng Enzim được sử dụng Của vi khuẩn Của nấm mốc Sản xuất bánh mì + Công nghệ bánh kẹo + Công nghệ rượi + Sản xuất bia + + 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 + Y học Trong sản xuất rượu Đối với công nghiệp sản xuất rượi còn, các enzim đường hóa có mộtvai trò đặc biệt quan trọng. Vài mươi năm trở lại đây chế phẩm amilaza của nấm mốc đã hoàn toàn thay thế malt. Và kết quả đem lại là để dành được hàng chục nghìn tấn hạt có chất lượng cao tăng hiệu suất rượu, do khả năng thủy phân sâu của chế phẩm enzim của nấm mốc thời gian để sản xuất chế phẩm rút ngắn xuống nhiều lần (sản xuất malt càn 7 – 8 ngày, sản xuất nấm mốc chỉ hàng chục giờ) giảm diện tích sản xuất, lao động và điện năng Chế phẩm enzim thường là A. awamori, A. oryzae, A. usamii Aspergillus awamori tạo được nhiều glucoamilaza hoạt động cao mà lượng chế phẩm từ A. awamori cần thiết để đường hóa giảm đi tới 2- 2,5 lần. Song chế phẩm này lại không có mặt enzim proteaza hoạt động trong môi trường axit yế của hạt ( 5,5 – 6). Do đó người ta dùng hỗn hợp bố phần canh trường bề mặt của A.awamori và một phần canh trường bề mặt của A. oryzae để bổ sung lẫn nhau Để đường hóa hoàn toàn tinh bột có trong nguyên liệu, lượng chế phẩm enzim phải chiếm khoảng 6 – 6,5% lượng tinh bột Ở các nhà máy rượi ở Việt Nam thường dùng chế phẩm enzim A. usamii vì lẽ trong chúng cũng có chứa nhiều glucoamilaza hoạt động Cần chú ý rằng trong sản xuất rượi , vai trò của glucoamilaza rất quan trọng hơn cả a - amilaza. Vì glucoamilaza có thể đường hóa tinh bột đến cùng còn a - amila thì không thể chuyển hóa tinh bột thành đường len men được Trong sản xuất bia Nếu như trong sản xuất rượi trước đây, malt đại mạch chỉ được dùng để làm tác nhân đường hóa (thường chiếm 7 -9 % lượng đại mạch đưa vào sản xuất) thì trong sản xuất bia, malt đại mạch lại là nguyên liệu chính. Điểm khác nhay nữa là mức độ sâu sắc của đường hóa tinh bột chứa trong nguyên liệu. Trong sản xuất rượi đòi hỏi phải thủy phân hoàn toàn tinh bột thành đường dễ lên men. Ngượi lại, tron g sản xuất bi chỉ cần một sự đường hóa nửa vơi, nghĩa là phải còn lại các dextrin để tạo cho bia có vị đặc trưng và khả năng tạo bọt Hiện nay ỏ nhiều nước trên thế giới người ta chỉ thay thế 25-50% malt băng nguyên liệu phi malt, nghĩa là bằng các hạt chứa nẩy mầm như dại mạch loại hai và loại va, ngô đã lây hết chất béo,…. Trong trường hợp này, người ta dùng đến chế phẩm amilaza để có được mức độ đường hóa cần thiết cho chất lượng bia. Để dùng được mục đích này, người ta dùng sản phẩm A. oryzae. Khi dùng 50% nguyên liệu phi malt thì phải dùng khoảng 1% canh trường A. oryzae khô và một ít axit lactíc để tạo PH cần thiết cho enzim hoạt động Ơû một số nước như Đan Mạch, Pháp, Nhật Bản, Mỹ để đường hóa nguyên liệu phi malt người ta dùng chế phẩm amilaza của vi khuẩn. Trong những trường hợp đó có thể thay thế 20 – 30% malt và đôi khi đến 80 – 90% malt băng nguyên liệu phi malt Ngoài ra trong sản xuất bia, người ta còn dùng một số enzim khác để phá vỡ cấu trúc của malt và của hạt phi malt, phức hệ enzim của Trichotheccium roseum có tác dụng đến thành phần tế bào của nguyên liệu do đó sẽ giải phóng ra tinh bột và làm tăng độ trích lý của nguyên liệu QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA Nguyên liêu Malt Nghiền xay Đường hóa Loc, rửa bả Nấu hoa houblon Tách bã hoa Làm nguội sơ bộ Làm lạnh Lên men chính Lên men phụ Lọc bổ sung CO2 Đóng gói: bao bì bia thành phẩm (chai lon) Bia hơi GMaltạo (N/l phi malt) Maltnghiền xay MaltDịch hóa Nấu chínMalt Trong sản xuất bánh mì Thêm vào bột nhào 0,002 – 0,003 % chế phẩm amilaza nghĩa là khoảng 20 – 30 g chế phẩm khô cho một tấn bột sẽ làm thay đổi hoàn toàn chất lượng của bánh mì: hương vị, màu sắc, thể tích riêng, độ xốp… tăng lên một cách rõ rệt Để đạt được mục đích đó, người ta dùng amilaza của nấm mốc. Vì amilaza này vượt xa amilaza của thực vật hoặc của vi khuẩn. Nhịêt độ hoạt động của a - amilaza của nấm mốc tương đối thấp ( gần 70 0C) do đó có thể dùng enzim này vói một liều lượng lớn hơn mà vẫn không có hiên tượng dextrin hóa khi nướng. Hơn nữa hoạt động của nó lại cao cho nên có thể đạt đé độ đường hóa cần thiết rất nhanh chóng, sau kho bị vô hoạt ngay. Còn amilaza của vi khuẩn có nhiệt độ vô hoạt khoảng 80-900C nên chỉ có thể dùng một lượng nhỏ Trong sả xuất bánh mì, người ta dùng thường chế phẩm enzim từ A. oryzae Cần chú ý rằng chế phẩm enzim của vi sinh vạt thường là phức hệ của các enzim amilaza và proteaza. Sự có mặt của proteaza sẽ làm cho chất lượng bánh bị xấu di. Do đó hợp lý hơn cả là dùng chế phẩm chứa amilaza Trong sản xuất glucoza và mật Chúng ra đều biết từ tinh bột có thể thu được sản phẩm vật đường khác nhau. mậtL mật glucoza hay mật maltoza. Mật maltoza thường dùng trong sản xuất bánh kẹo và trong sản xuất các sản phẩ ăn kiêng cho trẻ em và người bệnh Hiện nay, nhiều nước ( Nhật Bản, Mỹ, Canada…) đã sản xuất glucoza đi từ tinh bột bằng enzim glucoamilaza. Song trong các chế phẩm glucoamilaza luôn luôn chứa cả glucozyltrasferaza do đó sẽ làm giảm hiệu suất của glucoza, làm glucoza sẽ kết tinh và ảnh hưởng xấu đến chất lượng thành phẩm. Vì vậy tốt hơn cả là nên chọn những chủng loại nấm không tạo glucozyltrasferaza (hấp thụ bằng đất sét chua) hoặc khử hoạt nó bằng axit ha kiềm (glucoamilaza bền trong môi trường PH rộng) Những nấm môùc chứa nhiều glucoamilaza là. A.awamori, Rhizopus đặc biệt là ở Rhizopus. Ở Nhật Bản đã sản xuất chế phẩm glucoamilaza từ canh trường bề mặt của Rhizopus. Chế phẩm này có tên là Xuizim và không có chứa glucozyltrasferaza. Chế phẩm thu được từ nấm men Eândomycopsis cũng chứa ít glucozyltrasferaza Để sản xuất glucoza bằng chế phẩm glucoamilaza thì phải hồ hóa huyền phù tinh bột có nồng độ cao. Để làm giảm độ nhớt của huyền phù tinh bột trong quá trình hồ hóa người ta phải dùng dung dịch axit vô cơ hoặc bàng amilaza của vi khuẩn. Bằng cách này có thể tăng cao được nồng độ tinh bột. Sau khi hồ hóa tinh bột xong thì làm nguôi dung dịch đến 600C và đưa PH đế 4 -4,5 để tạo điều kiện và tinh bột hầu như bị thủy phân hoàn toàn đến glucoza. Dung dịch glucoza thu được đem xử lý bằng than hoạt tính, cô đặc rồi cho kết tinh. Do mỗi glucoamilaza có tình đặc hiệu nên có thể dùng