Bài 10: Ứng dụng và triển vọng của công nghệ enzyme

I. ỨNG DỤNG ENZYME

1. Ứng dụng các loại chế phẩm enzyme

Nhằm đáp ứng các nhu cầu ứng dụng khác nhau trong chế biến thực phẩm, xử lí ô nhiễm môi trường, chẩn đoán và điều trị bệnh,..., các loại chế phẩm enzyme khác nhau đã được sản xuất: enzyme tự do, enzyme cố định, enzyme trong tế bào.

Ứng dụng chế phẩm enzyme tự do (free enzyme)

Chế phẩm enzyme tự do (còn gọi là enzyme tan) có thể ở dạng bột (được trộn với các chất phụ gia) hoặc dạng dịch (trong dung dịch bảo quản enzyme). Khi hoạt động, các enzyme trong chế phẩm tự do tiếp xúc với cơ chất, không bị giới hạn về không gian; do vậy, chúng thể hiện được đầy đủ hoạt tính của mình. Tuy nhiên, các enzyme tự do rất dễ bị biến tính bởi các điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH, các chất ức chế,...). Các chế phẩm enzyme tự do được dùng phổ biến trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống. Loại chế phẩm này đặc biệt hữu hiệu đối với các cơ chất không tan như cellulose của rơm rạ, trấu, mùn cưa; tinh bột của các loại ngũ cốc; các phế phẩm, phụ phẩm dạng rắn trong công nghiệp chế biến (đầu vỏ tôm, cá, cua, bã sắn,...). Ví dụ: Trong sản xuất ethanol sinh học, các enzyme cellulase, pectinase, lignin hydrolase, laccase,... được sử dụng để chuyển hoá cellulose, hemicellulose và lignin trong xác thực vật thành hỗn hợp các loại đường để nấm men có thể sử dụng, chuyển hoá thành ethanol.

Ứng dụng chế phẩm enzyme cố định (immobilized enzyme)

Chế phẩm enzyme cố định (còn gọi là enzyme không tan) chứa các phân tử enzyme được giữ hoặc gắn trong một vùng, một khoang cố định của giá thể hay chất mang. Enzyme cổ định vẫn giữ được hoạt tính xúc tác nhưng thường không hoà tan vào dung dịch có chửa cơ chất; do vậy, chế phẩm enzyme được tái sử dụng nhiều lần và dễ dàng tách ra khỏi sản phẩm phản ứng.

Enzyme có thể được cố định trong các hạt vi nang (alginate, polyacrylamide,...) hoặc được hấp phụ, gắn trên các giả thể (than hoạt tính, cellulose biến tính, đường dextran,...) bằng các liên kết khác nhau.

Enzyme cố định hoạt động hiệu quả đối với các cơ chất hoà tan trong dung dịch, các cơ chất đó có thể di chuyển và tiếp xúc enzyme một cách dễ dàng. Ví dụ: Penicillin acylase được cố định trên các sợi cellulose acetate hoặc trong các hạt polyacrylamide để sản xuất 6-aminopenicillanic acid (6-APA); Glucose isomerase được cố định trên DEAE- cellulose để sản xuất syrup HFCS (hỗn hợp của glucose và fructose).

Bên cạnh đó, enzyme cố định cũng được dùng trong các que thử nhanh, trong các cảm biến sinh học (biosensor). Ví dụ: Glucose dehydrogenase được cố định trên que thử đường huyết; Alcohol dehydrogenase được cố định trên các cảm biến thử nồng độ cồn trong hơi thở,...

Ứng dụng chế phẩm enzyme trong tế bào (whole-cell enzyme)

Một số sản phẩm chuyển hoá đòi hỏi sự xúc tác của enzyme có gắn với coenzyme hoặc của phức hệ nhiều enzyme phức tạp trong tế bào, đòi hỏi năng lượng ATP. Do vậy, sự chuyển hoá này thường được thực hiện nhờ các enzyme trong tế bào.

Việc sử dụng các enzyme trong tế bào giúp giảm chi phí tinh sạch enzyme, giảm thiểu sự biến tính của enzyme do các tác động của môi trường. Hạn chế của công nghệ này là cơ chất cần phải đi qua màng tế bào để vào trong tế bào và sản phẩm cần phải đi qua màng tế bào để ra ngoài môi trường, dẫn đến tốc độ phản ứng enzyme bị chậm lại. Thêm vào đó, việc duy trì sinh trưởng của tế bào trong môi trường cũng gặp khó khăn đối với các vi sinh vật sống trong điều kiện khắc nghiệt. Ví dụ: Phức hệ enzyme trong tế bào vi khuẩn Serratia marcescens đã được sử dụng để chuyển hoá dầu thực vật thành biodiesel.

2. Ứng dụng của enzyme trong một số lĩnh vực

Enzyme được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống và sản xuất. Các lĩnh vực sử dụng nhiều chế phẩm enzyme nhất là: công nghệ thực phẩm, chế biến thức ăn chăn nuôi và công nghiệp bột giặt, chất tẩy rửa. Các lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi cung cấp những enzyme có đặc tính mới là: nhiên liệu sinh học, y dược học, chăm sóc sức khoẻ, mĩ phẩm và các nghiên cứu kĩ thuật di truyền.

Ứng dụng của enzyme trong công nghệ thực phẩm

Enzyme được sử dụng trong chế biến thực phẩm từ rất lâu đời. Thống kê về thị trường enzyme năm 2020 cho thấy trên 35 % chế phẩm enzyme được dùng trong chế biến thực phẩm và đồ uống'. Nhóm enzyme được sử dụng nhiều nhất là các enzyme thuỷ phân.

Amylase được sản xuất từ vi sinh vật như nấm mốc Aspergillus niger, A. oryzae, vi khuẩn Bacillus subtilis,... được ứng dụng trong công nghiệp chế biến bánh kẹo, trong làm tương, làm rượu có độ cồn cao.

Các protease cũng được sử dụng nhiều trong công nghệ thực phẩm. Ví dụ: Chymosin trong chế biến phô mai; Bromelain trong làm mềm thịt và sản xuất nước mắm, nước chấm;...

Bên cạnh các enzyme thuỷ phân, các enzyme oxi hoá – khử cũng được dùng trong tạo màu thực phẩm; các enzyme chuyển vị nhóm như glucose isomerase được dùng cùng với amylase trong chế biến syrup HFCS (hỗn hợp của glucose và fructose) từ tinh bột ngô. Syrup HFCS được dùng thay thế cho đường sucrose trong công nghiệp chế biến nước ngọt, bánh kẹo và thực phẩm do có độ ngọt cao hơn và giá thành thấp hơn duong sucrose.

Ứng dụng của enzyme trong y dược học

Các chế phẩm enzyme được sử dụng trong y dược học thường có độ tinh sạch cao để tránh gây các phản ứng phụ cho người sử dụng. Một số enzyme sử dụng dạng thuốc uống cần được bao bọc trong các hạt vi nang để đảm bảo không bị thuỷ phân, biến tính bởi các enzyme tiêu hoá và dịch tiêu hoá trước khi đến được vị trí tác dụng.

Trong sản xuất thuốc kháng sinh, penicillin acylase là enzyme được dùng để xúc tác phản ứng chuyển hoá penicillin G và V tự nhiên thành tiền chất 6-amino penicillanic acid (6-APA). Từ đó, 6-APA được sử dụng trong sản xuất hàng loạt các kháng sinh bán tổng hợp như ampicillin, amoxicillin, cephalexin,... Ứng dụng của enzyme trong kĩ thuật di truyền

Enzyme là công cụ đắc lực trong các bước thao tác của kĩ thuật di truyền như:

– Sử dụng các lysozyme, cellulase, protease nhằm phá vỡ thành, màng tế bào để thu vật liệu di truyền.

– Sử dụng các enzyme cắt giới hạn để cắt DNA.

– Sử dụng các DNA polymerase để nhân đoạn DNA trong PCR.

– Sử dụng ligase để nối các đoạn DNA.

– Sử dụng B-galactosidase trong sàng lọc các dòng tế bào mang vector tái tổ hợp.

Hầu hết các enzyme dùng trong kĩ thuật di truyền là các enzyme tái tổ hợp do các chế phẩm enzyme này đòi hỏi độ tinh sạch cao.

II. TRIỂN VỌNG CỦA CÔNG NGHỆ ENZYME

Sự tăng trưởng mạnh mẽ của thị trường enzyme thế giới trong những năm gần đây cho thấy nhu cầu sử dụng enzyme sẽ tiếp tục tăng, đặc biệt là đối với các enzyme trong y dược học. Công nghệ enzyme trong tương lai sẽ tập trung vào các lĩnh vực sau:

(1) Sử dụng công nghệ gene để cải biến các đặc tính của các enzyme cho phù hợp với các ứng dụng khác nhau, nâng cao hiệu quả xúc tác của enzyme.

(2) Tìm kiếm các enzyme mới từ các vi sinh vật sống trong điều kiện khắc nghiệt nhờ công nghệ phân tích hệ gene.

(3) Phát triển kĩ thuật mới trong ứng dụng các loại chế phẩm enzyme nhằm loại bỏ các hạn chế của các loại chế phẩm enzyme hiện nay (enzyme tự do, enzyme cố định và enzyme trong tế bào).

Cơ hội nghề nghiệp trong ngành công nghệ enzyme được xác định theo ba hướng chính, bao gồm:

- Các nghề liên quan đến công nghệ sản xuất enzyme (kĩ sư, công nhân tham gia vào vận hành, giám sát và quản lí các thiết bị trong quy trình sản xuất enzyme,...).

- Các nghề liên quan đến nghiên cứu phát triển enzyme (nghiên cứu viên trong các viện nghiên cứu, trường đại học và các cơ sở sản xuất enzyme).

- Các chuyên gia quản lí, tư vấn cho các dự án về công nghệ enzyme (chuyên viên, chuyên gia, nhà quản lí trong các công ty, sở, Bộ Khoa học và Công nghệ, Bộ Công Thương,...).

III. THỰC HIỆN DỰ ÁN TÌM HIỂU VỀ ỨNG DỤNG ENZYME

1. Mục tiêu

– Thực hiện được bốn bước của quy trình tiến hành một dự án tìm hiểu về ứng dụng enzyme:

(1) Xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu;

(2) Lập kế hoạch thực hiện;

(3) Thực hiện dự án;

(4) Báo cáo kết quả.

– Tìm hiểu được thông tin về một số chế phẩm enzyme đang được sử dụng ở địa phương và các lĩnh vực ứng dụng của chúng.

2. Nội dung

Tìm hiểu, thống kê và mô tả ứng dụng của một số chế phẩm enzyme hiện có trên thị trường tại địa phương em, ví dụ như:

(1) Tìm hiểu về các enzyme được dùng trong thành phần của thuốc tại các hiệu thuốc ở địa phương.

(2) Tìm hiểu về các enzyme được dùng trong thành phần của thức ăn chăn nuôi tại cơ sở sản xuất hoặc cửa hàng bán thức ăn chăn nuôi tại địa phương.

(3) Tìm hiểu về các enzyme được dùng trong các sản phẩm (thực phẩm, mỹ phẩm, bột giặt,...) đang bán tại các chợ hoặc siêu thị tại địa phương.

3. Chuẩn bị

– Thiết bị chụp ảnh.

– Sổ tay ghi chép.

– Máy tính có kết nối mạng internet.

4. Cách tiến hành

• Chia và phân công nhóm học sinh (3 – 5 học sinh/nhóm), mỗi nhóm thực hiện một nội dung tìm hiểu.

• Thực hiện bốn bước của dự án tìm hiểu về ứng dụng enzyme:

– Bước 1: Xác định mục tiêu và nội dung tìm hiểu (tìm hiểu cái gì? để làm gì? liệt kê các nội dung chi tiết cần tìm hiểu).

– Bước 2: Lập kế hoạch thực hiện (xác định thời gian, địa điểm, phân công công việc cụ thể cho từng cá nhân).

– Bước 3: Thực hiện các nội dung của dự án theo bảng kế hoạch đã thống nhất.

– Bước 4: Báo cáo kết quả (dưới dạng bài viết hoặc trình bày trước lớp).

5. Nội dung báo cáo

• Giới thiệu mục tiêu, nội dung của dự án.

• Cách thức thực hiện dự án.

• Các kết quả đạt được.

• Kết luận hoặc thảo luận về kết quả của dự án.

• Tài liệu hoặc tư liệu tham khảo (các bài báo nghiên cứu, các bài báo tổng quan, các website thống kê của các tổ chức có uy tín).