Enzyme là gì? Quy trình công nghệ sản xuất enzyme
Hiện nay, có nhiều ngành sản xuất ứng dụng enzyme với quy mô lớn như công nghiệp dệt, công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm,...
Vậy quy trình công nghệ sản xuất enzyme gồm mấy bước? Theo dõi bài viết sau của Thiết bị phòng sạch VCR để biết thêm thông tin.
1. Enzyme là gì? Một số đặc điểm của enzyme
Trước khi tìm hiểu về quy trình công nghệ sản xuất enzyme, bạn cần nắm rõ các đặc điểm cơ bản của enzyme.
Bản chất của enzyme là protein, đây là chất xúc tác sinh học không độc hại, có hoạt lực xúc tác mạnh và phổ biến trong tự nhiên, đóng vai trò quan trọng trong sinh vật sống và tế bào. Công nghệ enzyme là một trong những công nghệ sinh học hiện đại sản xuất ra chế phẩm enzyme. Công nghiệp enzyme phát triển gắn liền với những nghiên cứu và kiến thức liên quan đến lĩnh vực hóa sinh, vi sinh vật, hóa keo, hóa lý, di truyền và đặc biệt là enzyme.
Các đặc điểm của enzyme bao gồm:
- Có hoạt tính mạnh: Các phản ứng có sự xúc tác của enzyme đều diễn ra với tốc độ nhanh khi ở trong điều kiện thích hợp. Ví dụ: 1 phân tử chymotrypsin có thể phân giải 102 phân tử protein trong vòng 1 giây.
- Có tính đặc hiệu tuyệt đối: Đa phần, enzyme có tính đặc hiệu cao, chỉ xúc tác cho một số cơ chất nhất định. Ví dụ: Urease chỉ phân giải ure thành amoniac.
- Các enzyme phối hợp hoạt động với nhau: Trong tế bào, enzyme hoạt động theo kiểu dây chuyền, sản phẩm thu được từ phản ứng enzyme trước là cơ chất của enzyme sau. Ví dụ: Đối với hạt lúa mạch đang nảy mầm, amylase phân giải tinh bột thành maltose, sau đó chúng được phân giải thành glucose bởi maltase.
- Có sự định khu trong tế bào: Trong tế bào chất, enzyme có thể ở dạng hòa tan hoặc định khu trong các bào quan.
- Hầu hết, enzyme có nguồn gốc tự nhiên không độc.
- Chịu sự tác động của các yếu tố: Áp suất, pH, nhiệt độ,... Mỗi enzyme hoạt động tối ưu trong điều kiện nhất định và sẽ mất hoạt tính nếu ở trong môi trường không thích hợp.
2. Điểm qua một số vai trò của enzyme đối với cơ thể sống
- Xúc tác các phản ứng hóa học: Enzyme làm tăng tốc độ phản ứng cơ thể, nhờ vậy, sự dị hóa và đồng hóa xảy ra nhanh chóng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường của cơ thể. Nếu không có enzyme, các phản ứng xảy ra vô cùng chậm hoặc không xảy ra, từ đó không thể duy trì hoạt động sống.
- Kiểm soát phản ứng hóa học đặc biệt: Enzyme giúp kiểm soát phản ứng hóa học đặc biệt và điều chỉnh tốc độ phản ứng tương ứng với điều kiện trao đổi chất của cơ thể nhờ có tính đặc hiệu cao.
3. Tìm hiểu phương pháp nuôi cấy vi sinh vật thu enzyme
Enzyme có nguồn gốc từ thực vật và động vật, được hình thành thông qua quá trình tạo ra các mô, lá, cơ quan và trái cây, thường là những nguyên liệu còn sót lại từ hoạt động chăn nuôi gia súc và nông nghiệp. Sau đó, được chiết xuất bằng dung môi hữu cơ hoặc nước. Mặt khác, enzyme vi sinh vật thu được từ tế bào nhân thực (chủ yếu là nấm men) hoặc tế bào nhân sơ (vi khuẩn) được nuôi cấy trong môi trường bán rắn hoặc lỏng, quá trình này được thực hiện trong lò phản ứng đặc biệt hay còn gọi là lò lên men, gọi chung là quá trình lên men.
Trong môi trường lên men bán rắn, có thể xử lý enzyme theo 2 quy trình. Cụ thể, nếu muốn chuẩn bị enzyme thô, tiến hành đưa môi trường lên men bán rắn vào quá trình làm khô, nghiền, sàng và tiêu chuẩn hóa, đóng gói sản phẩm cuối cùng. Quy trình còn lại tiến hành gửi môi trường lên men bán rắn để chiết xuất trong nước, lọc, ly tâm, kết tủa, tinh chế, làm khô, ổn định, tiêu chuẩn hóa và đóng gói sản phẩm. Kết quả thu được của quá trình này là các enzyme ngoại bào (pectinase, amylase và cellulase) được vi sinh vật bài tiết vào môi trường.
Trong môi trường nuôi cấy chìm, vi sinh vật ở trạng thái huyền phù thông qua quá trình khuấy động liên tục trong điều kiện phát triển có kiểm soát (oxy hóa, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, pH,...). Môi trường là dung dịch nước gồm các chất như váng sữa, rượu, ngô dốc, mật đường, thủy phân tinh bột và ngũ cốc. Khi quá trình lên men kết thúc, enzyme được bài tiết vào môi trường hoặc xuất hiện trong vi sinh vật. Khi nằm bên trong tế bào, huyền phù được lọc hoặc ly tâm, dịch lọc hoặc phần nổi phía trên được thải ra ngoài và thu nhận bánh tế bào hoặc nếu không, bánh tế bào bị loại bỏ và thu thập pha lỏng. Tùy thuộc vào enzyme ngoài hoặc trong tế bào, quá trình lên men phải được thực hiện tương ứng với sự phát triển của tế bào.
4. Quy trình công nghệ sản xuất enzyme từ vi sinh vật
Quy trình công nghệ sản xuất enzyme từ vi sinh vật gồm 4 giai đoạn:
Tuyển chọn và cải tạo giống vi sinh vật cho enzyme có hoạt lực cao
Yêu cầu đối với giai đoạn này cần tuyển dụng chủng tổng hợp enzyme cần thiết có hoạt tính cao. Môi trường tuyển chọn phân lập thường từ thực phẩm, lương thực, nước, đất,... Tuy nhiên, các chủng phân lập theo phương pháp thông thường, chỉ tổng hợp một lượng nhỏ enzyme, người ta sử dụng phương pháp hóa học, lý, sinh học,... để gây đột biến nhằm tạo chủng có khả năng “siêu tổng hợp enzyme” như: Phương pháp tải nạp, phương pháp tiếp hợp gen, phương pháp biến nạp, phương pháp gây đột biến.
Bảo quản giống sinh vật
Ngoài việc tuyển chọn giống thuần chủng, tiến hành kiểm tra kỹ lưỡng đặc tính hóa sinh, vi sinh, nuôi cấy, cần lưu ý bảo quản giống sinh vật. Thực tế, khi bảo quản trong một thời gian sẽ tạo ra các biến dị ngẫu nhiên, do đó, cần phải cấy chuyền định kỳ và kiểm tra các đặc tính ban đầu một lần nữa. Có thể bảo quản giống sinh vật bằng các phương pháp: Phương pháp bảo quản lạnh sâu, phương pháp đông khô, phương pháp làm khô, phương pháp cấy chuyền.
Môi trường dinh dưỡng thích hợp và quá trình nuôi vi sinh vật
Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và tổng hợp enzyme của vi sinh vật là môi trường dinh dưỡng. Môi trường dinh dưỡng cần có các chất khoáng Mg, Ca, S, Fe, K, Cu, Zn, Co, vitamin và hợp chất chứa C, N, H, O. Nguồn cung cấp cacbon tốt nhất là gluxit (đisaccarit hoặc đường monoza), sau đó là rượu, axit hữu cơ, chất béo. Nguồn N đưa vào môi trường dạng muối nitrat, muối amoni, nitrit, chất hữu cơ chứa nitơ, nguồn P ở dạng muối photphat. Đặc biệt, người ta thường cho thêm “chất cảm ứng” tổng hợp enzyme vào môi trường nuôi, thường là cơ chất tương ứng của enzyme cần tổng hợp.
Trong quá trình nuôi vi sinh vật, cần lưu ý đến nhiệt độ nuôi, nồng độ chất, độ pH môi trường, độ thoáng khí, độ ẩm, thiết bị và phòng nuôi,... tất cả yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu quả tổng hợp enzyme, do vậy, cần chọn lọc và tạo điều kiện tối ưu cho vi sinh vật. Hiện nay, có 02 phương pháp nuôi cấy vi sinh vật thu enzyme phổ biến: Nuôi cấy chìm và nuôi cấy bề mặt.
Tách và làm sạch chế phẩm enzyme
Các phân tử enzyme không có khả năng đi qua màng của các cấu tử tế bào và màng tế bào, do vậy cần chiết rút enzyme nội bào bằng cách phá vỡ cấu trúc các tế bào có chứa enzyme và chuyển chúng vào dung dịch. Có thể phá vỡ cấu trúc các tế bào bằng phương pháp cơ học như nghiền với cát thạch anh hoặc bột thủy tinh, sử dụng thiết bị đồng hóa (homogenizator) để làm đồng hóa.
Bên cạnh đó, muốn tách enzyme trong các cấu tử của tế bào, người ta cần dùng đến các yếu tố hóa học và vật lý như sóng siêu âm, dung môi hữu cơ (ethyl acetate, butanol, aceton, glycerin,...). Các hóa chất này có tác dụng phá vỡ cấu tử của tế bào vì trong các cơ quan này có chứa mỡ.
Để loại bỏ đường và muối khoáng, người ta áp dụng phương pháp thẩm tích (dialysis) đối các dung dịch đệm loãng hoặc đối nước bằng cách lọc qua gel sephadex. Để loại bỏ các chất có phân tử lượng cao và protein tạp (protein trơ, protein cấu trúc), người ta thường kết hợp các phương pháp khác nhau như: Phương pháp lọc gel, điện di, phương pháp sắc ký (sắc ký trao đổi ion, sắc ký hấp thụ), phương pháp kết tủa phân đoạn bằng dung môi hữu cơ hoặc muối trung tính, phương pháp biến tích chọn lọc nhờ tác dụng của độ pH môi trường hoặc nhiệt độ. Hiện nay, để nâng cao giá trị sử dụng, người ta thường chế tạo enzyme không tan (hay enzyme cố định).
Một số phương pháp để chế tạo enzyme không tan: Phương pháp cộng hóa trị của enzyme và chất mang, phương pháp đưa enzyme vào khuôn gel, phương pháp hấp thụ vật lý.
Tìm hiểu thêm:
Quy trình sản xuất chế phẩm sinh học tại nhà
5. Ứng dụng của enzyme trong đời sống hiện nay
Ứng dụng của enzyme trong y dược
Trong lĩnh vực y học, enzyme đóng vai trò vô cùng quan trọng, nhất là các phương pháp định tính và định lượng enzyme trong thí nghiệm chẩn đoán và hóa học lâm sàng. Chẳng hạn, trong quá trình phân tích xác định nồng độ cơ chất như cholesterol, ure, glucose,... nhờ sự hỗ trợ của enzyme, định lượng ure bằng enzyme urease.
Bên cạnh đó, enzyme còn được làm thuốc, chẳng hạn như sử dụng protease làm tiêu mủ vết thương, làm thuốc tắc nghẽn tim mạch, làm thuốc tăng tiêu hóa protein, làm thông đường hô hấp. Hoặc sử dụng amylase phối hợp với carboxylase, ATP, cytochrome, coenzyme A để chế thuốc điều trị bệnh thần kinh, bệnh tim mạch, phối hợp với enzyme thủy phân để điều trị bệnh thiếu enzyme tiêu hóa.
Ứng dụng của enzyme trong lĩnh vực hóa học
Do enzyme có cảm ứng cao đối với độ pH, nhiệt độ và các thay đổi khác của môi trường nên enzyme được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực hóa học. Ví dụ, sử dụng chế phẩm enzyme làm chất mang để gắn phức hợp enzyme xúc tác cho phản ứng nhiều bước trong quy trình tổng hợp sản xuất hormone, alcaloid, acid béo, glutathione,... và sử dụng trong công nghệ xử lý nước thải, amino acid, sản xuất alcohol.
Bên cạnh đó, enzyme được sử dụng trong nghiên cứu cấu trúc hóa học như: Dùng enzyme endonuclease để nghiên cứu cấu trúc nucleic acid, sử dụng enzyme protease để nghiên cứu cấu trúc protein. Ngoài ra, người ta thường dùng enzyme để làm thuốc thử trong hóa phân tích.
Ứng dụng của enzyme trong công nghiệp thực phẩm
Enzyme được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp thực phẩm, tạo nên sự phong phú, đa dạng và nâng cao chất lượng thực phẩm. Lấy ví dụ, trong công nghiệp chế biến thịt, nhằm mục đích làm mềm thịt, tạo ra các loại thủy phân giàu protein, người ta thường sử dụng enzyme protease, hoặc trong sản xuất phomat thường sử dụng enzyme renin và pepsin được khai thác tính đông tụ.
Trong một số lĩnh vực của công nghiệp thực phẩm như sản xuất bia, rượu, bánh mì thường dùng phổ biến nhất là enzyme amylase. Trong sản xuất bánh mì, chế phẩm enzyme amylase làm thay đổi hoàn toàn chất lượng, màu sắc, hương vị, độ xốp của bánh mì. Trong sản xuất bánh kẹo, đường maltose thường được sử dụng là sản phẩm thủy phân tinh bột bằng enzyme amylase. Trong sản xuất rượu, enzyme glucoamylase là yếu tố làm tăng hiệu suất.
Ứng dụng của enzyme trong công nghiệp dệt
Chế phẩm amylase được sử dụng trong công nghiệp dệt nhằm mục đích rũ hồ vải trước khi tẩy trắng và nhuộm. Amylase có tác dụng làm mềm vải, có khả năng tẩy trắng, nhúng ướt và bắt màu tốt. Sử dụng amylase để rũ hồ không những không hại vải, độ mao dẫn tốt mà còn đảm bảo vệ sinh, làm tăng 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 quá trình xử lý bằng dung dịch xà phòng sẽ giúp lụa bắt màu đồng đều, có tính đàn hồi tốt và dễ trang trí.
Ứng dụng của enzyme trong công nghiệp thuộc da
Enzyme protease sử dụng trong công nghiệp thuộc da nhằm mục đích làm mềm da, làm tách lông sạch hơn, bảo vệ môi trường, tiết kiệm thời gian và giúp da có chất lượng tốt hơn. Quá trình xử lý được tiến hành bằng cách phết dịch enzym
e lên bề mặt da hoặc ngâm da trong dung dịch enzyme. Da sẽ mềm hơn nhờ quá trình enzyme tách các chất nhờn và làm đứt một số phân tử collagen. Khi xử lý da bằng chế phẩm protease từ vi sinh vật giúp rút ngắn thời gian và tách lông xuống nhiều lần.
Ứng dụng của enzyme trong nông nghiệp
Thực tế, enzyme được sử dụng để sản xuất thức ăn cho động vật nhằm tăng hệ số sử dụng thức ăn, tăng giá trị dinh dưỡng của thức ăn thô. Để thực hiện điều này, người ta thường sử dụng các enzyme thủy phân như: amylase, proteinase, đặc biệt là cellulase, hemicellulase. Chúng thủy phân các chất phân tử lớn thành dạng dễ hấp thụ nhằm tăng hiệu quả trong quá trình sử dụng thức ăn, tăng khối lượng đàn gia súc. Điều này rất cần thiết đối với các loài động vật non như bê con, lợn con,... bởi hệ thống tiêu hóa của chúng còn kém, không thích hợp với thức ăn thô.
Trong trồng trọt, thường sử dụng các loại enzyme khác nhau như cellulase, hemicellulase, protease và amylase nhằm chuyển hóa phế liệu, nhất là phế liệu nông nghiệp cải tạo đất phục vụ nông nghiệp. Hiện nay, việc sử dụng enzyme vi sinh vật trong sản xuất hữu cơ được khai thác để thay thế cho phân bón hóa học.
Như vậy, quy trình công nghệ sản xuất enzyme cùng một số thông tin liên quan đã được VCR cập nhật rõ trong bài viết trên. Có thể thấy, enzyme đóng vai trò quan trọng và cần thiết trong đời sống thường ngày. Do vậy, bạn cần nắm rõ quy trình sản xuất và ứng dụng vào doanh nghiệp mình khoa học, phù hợp để mang lại hiệu quả cao.
