Bài 6: Thành tựu của công nghệ enzyme.

I. THÀNH TỰU CỦA CÔNG NGHỆ ENZYME

Đến nay, người ta đã sử dụng hàng trăm loại enzyme khác nhau vào sản xuất công nghiệp và ứng dụng rộng rãi enzyme trong sản xuất và đời sống. Kĩ thuật enzyme đã đưa công nghệ enzyme đạt được nhiều kết quả cao. Ở nhiều nước đã xuất hiện ngành công nghệ enzyme, hằng năm đã sản xuất hàng trăm tấn chế phẩm enzyme để phục vụ cho các ngành sản xuất khác nhau (công nghệ thực phẩm, chế biến thức ăn chăn nuôi, công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa, dệt may, thuộc da và y học).

1. Trong công nghệ thực phẩm

Năm 1884, nhà khoa học Nhật Bản Jokichi Takamine đã dùng amylase của nấm mốc Aspergillus oryzae để phân giải tinh bột trên quy mô công nghiệp. Công trình này đã có tác dụng thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của việc ứng dụng enzyme. Sử dụng enzyme amylase từ Aspergillus oryzae hoặc Aspergillus awamori trong công nghiệp sản xuất bánh mì làm bánh mì nở đều, tăng hương vị thơm ngon.

Trong công nghiệp sản xuất bia, để ngăn ngừa hiện tượng bia bị đục khi bảo quản lạnh, người ta đã dùng các enzyme như pepsin, papain để phân giải phức hệ protein – tannin.

Ngoài ra, các enzyme phân giải protein còn được sử dụng để làm mềm thịt trong quá trình bảo quản. Enzyme glucose oxidase được ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm nhằm loại bỏ glucose ra khỏi thực phẩm, giúp quá trình bảo quản đạt được hiệu quả cao hơn.

Enzyme β-fructofuranosidase có tác dụng phân giải đường saccharose nhằm ngăn cản sự kết tinh của loại đường này, nhờ đó mà enzyme được sử dụng trong công nghiệp sản xuất bánh kẹo, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm.

2. Trong y học

Trong y học, việc nghiên cứu và ứng dụng enzyme ngày càng mang lại nhiều kết quả khả quan như: ứng dụng enzyme trong việc điều chế điện cực enzyme. Đây là một thiết bị phân tích và chuyển đổi các đáp ứng sinh học thành các tín hiệu dưới dạng điện, hoá, quang, nhiệt,... Từ tín hiệu đó có thể đo được nồng độ các chất cần phân tích.

Ví dụ: điện cực enzyme glucose oxidase được sử dụng để xác định hàm lượng glucose trong máu và nước tiểu; alcohol dehydrogenase để xác định nồng độ cồn trong máu. Các loại enzyme dehydrogenase được ứng dụng để làm thuốc thử đặc hiệu.

Enzyme Taq DNA polymerase tách chiết từ vi khuẩn Thermus aquaticus được dùng trong kĩ thuật PCR giúp chẩn đoán bệnh và nghiên cứu sinh học phân tử.

3. Sản xuất các chế phẩm sinh học

Hiện nay, quy trình sản xuất các chế phẩm sinh học (kháng sinh, kháng thể, enzyme,...) đang ngày càng phát triển. Các chế phẩm này được sử dụng phổ biến trong đời sống hằng ngày bên cạnh đó, chế phẩm sinh học còn được dùng trong nhiều lĩnh vực khác như y học, chăn nuôi, trồng trọt, xử lí môi trường... Enzyme có thể được dùng để sản xuất một số chất dinh dưỡng, dược liệu như amino acid, kháng sinh, hormone,...

Người ta có thể thu nhận 6 – aminopenicillanic acid (một loại kháng sinh quan trọng thuộc họ penicillin) bằng cách thuỷ phân benzylpenicillin (penicillin G) hoặc phenoxymethylpenicillin (penicillin V) bằng enzyme penicillinase được thu nhận từ vi khuẩn. Penicillinase đặc hiệu với penicillin G được thu nhận từ E. coli hoặc B. megaterium; còn penicillinase đặc hiệu với penicillin V được thu nhận từ Penicillium chrysogenum hoặc Fusarium.

Người ta có thể tách các L – amino acid hoặc acyl – D – amino acid từ các hỗn hợp bằng enzyme aminoacylase được cố định trên sephadex.

Một thành tựu nổi bật của công nghệ enzyme là kết hợp với công nghệ gene để sản xuất các enzyme tái tổ hợp được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thuộc da, giặt tẩy, chẩn đoán và điều trị bệnh... Việc áp dụng công nghệ DNA tái tổ hợp cho phép tạo ra một lượng lớn chế phẩm sinh học dựa trên sự sinh trưởng của vi sinh vật, nhờ đó hạ giá thành sản phẩm.

4. Một số thành tựu khác

Enzyme cũng được ứng dụng để phân huỷ rác thải, xử lí nước thải sinh hoạt hoặc làm biến đổi tính chất của chất thải để đưa chúng về dạng dễ xử lí,... nhằm cải thiện chất lượng môi trường sống. Trong công nghiệp thuộc da, các enzyme phân giải protein như papain, proteolytic,... cũng được sử dụng để làm mềm da.

Trong công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa, người ta bổ sung một số loại enzyme trong bột giặt, chất tẩy rửa để phân giải và làm sạch các chất (protein, lipid,...) bám trên quần áo, các vật dụng. Trong chăn nuôi, các chế phẩm cellulase thu được từ nấm mốc có chứa hemicellulase có thể được dùng để chế biến thức ăn cho gia súc và gia cầm, giúp vật nuôi hấp thụ thức ăn tốt hơn, tăng trọng, cho lượng lớn sản phẩm thịt và trứng.

Hiện nay, việc tách chiết enzyme từ nguồn nguyên liệu tự nhiên và ứng dụng chúng trong các ngành sản xuất đã và đang được tiến hành rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Việc tạo được các chế phẩm enzyme với quy mô công nghiệp đã đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong thực tế, góp phần cải thiện quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

II. TRIỂN VỌNG CỦA CÔNG NGHỆ ENZYME TRONG TƯƠNG LAI

Ngày nay, công nghệ enzyme đã có nhiều thành tựu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Bên cạnh đó, quy trình sản xuất các chế phẩm enzyme trên quy mô công nghiệp ngày càng được cải tiến. Trong tương lai, sản xuất enzyme hứa hẹn sẽ trở thành ngành công nghiệp dẫn đầu trong cung cấp các nguồn nguyên vật liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác. Để đạt được mục tiêu đó, công nghệ enzyme trong tương lai sẽ tiếp tục phát triển dựa trên một số xu hướng cụ thể sau:

Cải biến nguồn enzyme hiện có: Nhờ sự kết hợp với công nghệ gene, người ta có thể chủ động thay đổi đặc tính của các enzyme hiện có bằng phương pháp gây đột biến điểm để biến đổi cấu trúc của enzyme; tạo sinh vật biến đổi gene để sản xuất các enzyme có hoạt tính xúc tác cao.

Tìm kiếm hoặc tạo nguồn enzyme mới: Enzyme được thu nhận từ các vi sinh vật sống ở những môi trường có điều kiện khắc nghiệt, có khả năng giữ được hoạt tính xúc tác trong môi trường có nhiệt độ cao, áp suất cao,... Bên cạnh đó, nhờ sử dụng các kĩ thuật hiện đại (như in 3D sinh học) để thiết kế các phân tử enzyme mang những đặc tính mới và có hiệu quả sử dụng cao trong thực tiễn. Ví dụ: enzyme dùng trong xử lí chất thải công nghiệp nhằm giải quyết các vấn đề về môi trường; enzyme dùng trong chẩn đoán các bệnh ở người; enzyme có khả năng loại bỏ các tạp chất không mong muốn trong quá trình sản xuất thuốc chữa bệnh.

Cải tiến quy trình sản xuất: Áp dụng những công nghệ mới cũng như phối hợp với nhiều lĩnh vực khác để phát triển các kĩ thuật sản xuất, nhờ đó, tạo ra được những enzyme có nhiều ưu điểm hơn các enzyme hiện nay.

Sự phát triển của công nghệ enzyme cũng mở ra nhiều cơ hội nghề nghiệp (sản xuất enzyme, nghiên cứu và ứng dụng enzyme, tư vấn và quản lí dự án về công nghệ enzyme) cũng như nhiều vị trí việc làm mới. Qua đó, giải quyết được vấn đề việc làm và cải thiện chất lượng cuộc sống.