Bài 7: Cơ sở khoa học và một số thành tựu của công nghệ enzyme

I. CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ENZYME

1. Công nghệ enzyme

Công nghệ enzyme là ngành công nghệ sản xuất các chế phẩm enzyme và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực khác nhau.

Chế phẩm enzyme là sản phẩm chứa enzyme có hoạt tính được phối hợp với các chất phụ gia để bảo quản enzyme. Chế phẩm enzyme có thể được sản xuất từ vi sinh vật và dịch chiết tế bào, mô, cơ quan, cơ thể thực vật hoặc động vật. Để đánh giá chất lượng một chế phẩm enzyme, người ta thường dùng các thông số sau

- Hoạt độ của enzyme là lượng enzyme cần thiết để chuyển hoá một lượng cơ chất đặc hiệu thành sản phẩm trong một đơn vị thời gian ở điều kiện phản ứng xác định. Hoạt độ của enzyme thường được tính bằng đơn vị hoạt tính AU (Activity Unit) hoặc đơn vị quốc tế IU (International Unit).

- Hoạt độ riêng của enzyme là hoạt độ của enzyme trong một đơn vị khối lượng tinh bằng miligam hoặc gam chế phẩm protein enzyme (ví dụ 5 IU/mg). Hoạt độ riêng cho phép so sánh mức độ tinh khiết (độ tinh sạch) của các chế phẩm enzyme cùng loại.

2. Cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ enzyme

Dưới đây là các cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ enzyme:

(1) Enzyme là chất xúc tác sinh học, có nguồn gốc từ sinh vật.

(2) Enzyme có thể hoạt động bên ngoài tế bào và cơ thể sống trong điều kiện gần với điều kiện trong tế bào của sinh vật đó.

(3) Enzyme xúc tác chuyển hoá đặc hiệu một hoặc một nhóm cơ chất thành sản phẩm.

(4) Phần lớn các chế phẩm enzyme hiện nay được sản xuất từ vi sinh vật do chúng có khả năng sinh trưởng nhanh, dễ điều khiển các hoạt động sinh tổng hợp protein.

(5) Công nghệ enzyme hiện đại gắn liền với việc tìm kiếm, phân lập các enzyme từ vi sinh vật sống trong môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ, pH, áp suất,... rất cao hoặc rất thấp); đồng thời cải biến đặc tính của các enzyme tự nhiên bằng công nghệ gene để sản xuất các chế phẩm enzyme phục vụ các điều kiện công nghiệp khác nhau (công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa, thuộc da, chế biến giấy, dệt may,...).

(6) Tuỳ thuộc vào các ứng dụng khác nhau mà chế phẩm enzyme cần đạt được những yêu cầu khác nhau về đặc tính (điều kiện hoạt động) và chất lượng (hoạt độ, tính đặc hiệu và độ tinh sạch).

II. MỘT SỐ THÀNH TỰU CỦA CÔNG NGHỆ ENZYME

Thành tựu nổi bật của công nghệ enzyme là việc sản xuất enzyme bằng công nghệ DNA tái tổ hợp và cải biến đặc tính của enzyme bằng công nghệ gene. Hiện nay, hàng loạt các enzyme sử dụng trong công nghiệp được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp. Công nghệ này cho phép sản xuất lượng lớn enzyme trong các “nhà máy” vi sinh vật như vi khuẩn Escherichia coli, nấm mốc Aspergillus niger, nấm men Sacharomyces cerevisiae,... Công nghệ này cũng là tiền đề cho các kĩ thuật cải biến đặc tính của các enzyme tự nhiên bằng kĩ thuật gene, nhằm tạo ra các enzyme thích ứng tốt nhất với điều kiện sản xuất ở quy mô công nghiệp, phù hợp với các ứng dụng trong thực tiễn, ví dụ như:

- Chế phẩm chymosin được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp trong Aspergillus niger. Chế phẩm này được dùng trong công nghiệp chế biến bơ và phô mai, thay thế cho chế phẩm rennet (rennin), chứa chymosin được sản xuất từ dạ dày bê hoặc cừu non.

- Enzyme Taq DNA-polymerase của vi khuẩn ưa nhiệt Thermus aquaticus, phân lập từ suối nước nóng, đã được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp và ứng dụng trong kĩ thuật nhân đoạn DNA (kĩ thuật PCR) để chẩn đoán bệnh và nghiên cứu sinh học phân tử.

Cho đến nay, hàng nghìn chế phẩm enzyme đã được tinh chế từ thực vật, động vật và vi sinh vật để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y dược học, hoá học và nghiên cứu công nghệ sinh học. Thị trường enzyme toàn cầu năm 2020 được Mordor Intelligence ước tính là khoảng 5,9 tỉ đô la Mỹ, trong đó ba lĩnh vực chính (chiếm trên 75 % doanh thu) là công nghiệp chế biến thực phẩm và đồ uống, công nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi và công nghiệp giặt tẩy. Phần lớn enzyme phục vụ cho các ngành này là các enzyme tái tổ hợp, chiếm tới 85 %, trong đó, 50 % sản xuất bởi nấm và 35 % sản xuất bởi vi khuẩn; 15 % còn lại là các enzyme được sản xuất từ thực vật.

Theo dự đoán của Mordor Intelligence trong báo cáo Dự báo thị trường enzyme công nghiệp giai đoạn 2019 – 2024, sản lượng tiêu thụ enzyme trong công nghiệp liên tục tăng 6,8 % từ năm 2019 đến năm 2024.