Bài 7: Ứng dụng của enzyme

I - MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ENZYME

1. Ứng dụng enzyme trong công nghiệp thực phẩm

a) Ứng dụng của enzyme protease

Protease là nhóm enzyme có khả năng cắt đứt liên kết peptide trong phân tử protein, một số enzyme thuộc nhóm này như pepsin, trypsin, papain, in trypsin, papan, bromelanin.

Từ lâu, nhân dân ta đã biết dùng quả dứa, quả đu đủ xanh, hạt đậu tương nảy mầm để làm mềm thịt nhờ vào các enzyme protease có trong các loại quả và hạt này. Hiện nay, protease không chỉ ứng dụng trong chế biến thức ăn hằng ngày mà còn được dùng trong chế biến thịt, cá trong ngành công nghiệp chế biến đồ hộp. Thịt hoặc cá được ướp với enzyme làm mềm thịt rồi mới chế biến sẽ làm thịt mềm, thơm ngon hơn rất nhiều. Bên cạnh đó, enzyme protease còn biến đổi các chất thải của ngành công nghiệp thực phẩm thành thức ăn dễ tiêu hoá cho vật nuôi.

Ngoài ra, các enzyme protease được sử dụng trong sản xuất nhiều sản phẩm khác như nước mắm, rượu vang, nước hoa quả, mứt, nước giải khát, cà phê, phô mai; tách chiết các chất màu, các vitamin, dầu cá,...

b) Ứng dụng của enzyme cellulase

Cellulose là thành phần cơ bản của tế bào thực vật, có mặt trong các loại rau, củ, quả cũng như trong các nguyên liệu, chất thải của ngành nông nghiệp và lâm nghiệp. Các enzyme thuộc nhóm cellulase có khả năng phân giải cellulose thành đường, con người và động vật không có khả năng phân giải cellulose do không có enzyme này.

Trong công nghiệp thực phẩm, chế phẩm cellulase được dùng để tăng chất lượng thực phẩm, nâng cao vị thực phẩm và làm mềm một số loại thực phẩm có nguồn gốc thực vật. Enzyme này rất thích hợp trong chế biến thức ăn từ thực vật cho trẻ em. Trong sản xuất bia, cellulase phá huỷ thành tế bào của hạt đại mạch, tạo điều kiện cho các enzyme tiếp xúc với cơ chất.

c) Ứng dụng của enzyme amylase

Amylase là enzyme được biết đến từ rất sớm, chế phẩm amylase được ứng dụng trong sản xuất bánh mì, bánh kẹo, rượu vang, bia,...

Trong sản xuất bánh mì, chế phẩm amylase làm thay đổi hoàn toàn chất lượng bánh cả về hương vị, màu sắc, độ xốp. Chế phẩm amylase tinh khiết cho bánh mì ngon hơn ở dạng phức hợp với protease.

Trong sản xuất bánh kẹo, người ta thường dùng nguyên liệu là maltose, đây là sản phẩm của quá trình thuỷ phân tinh bột bằng amylase và glucoamylase.

Trong sản xuất bia, việc sử dụng amylase có trong các hạt nảy mầm đã góp phần giảm giá thành sản phẩm.

d) Ứng dụng của enzyme pectinase

Pectinase là nhóm các enzyme thuỷ phân pectin, được sử dụng trong sản xuất nước ép trái cây từ nguyên liệu là quả nghiền. Khi có pectin, khối quả nghiền sẽ có trạng thái keo, do đó khi ép dịch quả không thoát ra được. Nhờ pectinase phân giải pectin làm nước quả trong suốt, dễ lọc, tăng hiệu suất. Ví dụ: Khi làm nước ép nho có sử dụng pectinase, không những làm tăng hiệu suất mà còn làm tăng màu sắc dịch ép.

Trong sản xuất mứt từ quả, nhờ pectinase mà dịch quả có nồng độ đậm đặc và mứt quả trong hơn.

2. Ứng dụng enzyme trong y – dược

Enzyme có một vị trí quan trọng trong y học. Enzyme có thể được dùng để chữa bệnh và chẩn đoán bệnh. Có thể dùng enzyme tổng hợp để chữa bệnh thiếu enzyme bẩm sinh; chữa bệnh tiêu hoá kém; loại bỏ các phần mô bị hỏng, bị thối ở các ổ viêm và các vết thương hoặc hoà tan các cục máu đông gây tắc nghẽn mạch máu. Ngoài ra, cũng có thể dùng enzyme để phân giải thuốc khi cơ thể bị dị ứng mạnh với các thuốc này hoặc dùng enzyme chữa bệnh do vi sinh vật gây nên. Đặc biệt, các phương pháp định lượng và định tính enzyme trong hoá học lâm sàng và phòng thí nghiệm chẩn đoán cho phép chẩn đoán nhanh một số bệnh như tiểu đường, bệnh gout,... Một số enzyme được dùng nhiều trong y dược như amylase, bromelain, trypsin, chymotrypsin, glucosidase, penicillinase, nuclease.

- Enzyme amylase: được sử dụng phối hợp với coenzyme A, cytochrome C, ATP, carboxylase để điều chế thuốc điều trị bệnh tim mạch, bệnh thần kinh. Ngoài ra, amylase phối hợp với enzyme thuỷ phân khác để chữa bệnh thiếu enzyme đường tiêu hoá.

- Enzyme bromelain: được sử dụng để làm giảm đau nhanh sau khi phẫu thuật, giảm đau đối với các trường hợp viêm khớp, viêm đa khớp, tan nhanh các vết bầm và chống viêm. Bromelain còn có khả năng chống tụ máu nên làm giảm nguy cơ đột quỵ đối với người mắc bệnh tim mạch, tăng khả năng hấp thụ các loại thuốc, đặc biệt là kháng sinh như Amoxicilline hay Tetracycline.

Bromelain là enzyme thuỷ phân protein thành amino acid nên có lợi cho tiêu hoá, hoạt động được trong môi trường acid của dạ dày và môi trường kiềm của ruột non nên có thể thay thế cho các enzyme tiêu hoá như pepsin, trypsin.

- Enzyme trypsin và chymotrypsin: Các enzyme này được sử dụng làm thuốc tiêu viêm; làm lành vết thương, vết bỏng; làm dãn và tiêu biến niêm mạc bị hoại tử trong một số trường hợp như viêm phổi, viêm khí quản. Trypsin dùng để chữa bệnh viêm tĩnh mạch huyết khối, viêm tuỵ. Chymotrypsin dùng để chữa bệnh loét dạ dày.

- Enzyme glucosidase: dùng để định lượng glucose trong huyết thanh, chẩn đoán bệnh tiểu đường trong thời gian ngắn chỉ khoảng vài phút.

- Enzyme penicillinase: Khi cơ thể bị dị ứng mạnh với penicillin, có thể dùng enzyme penicillinase làm giảm nồng độ kháng sinh này trong cơ thể bằng cách thuỷ phân penicillin.

- Enzyme nuclease: dùng để chữa bệnh do virus gây nên bằng cách phân giải nucleic acid của virus.

Những thành tựu vượt bậc về công nghệ enzyme cùng với sự phát triển của kĩ thuật di truyền đã giúp con người sản xuất được lượng lớn những chất mà cơ thể sống chỉ có thể tổng hợp được một lượng nhất định như hormone, kháng thể,.. hoặc sản xuất kháng nguyên được ứng dụng trong sản xuất vaccine, đây là những chất có giá trị trong điều trị bệnh cho con người.

3. Ứng dụng enzyme trong kĩ thuật di truyền

Kĩ thuật di truyền/công nghệ di truyền là quy trình công nghệ ứng dụng các thành tựu của di truyền học phân tử vào giải quyết các vấn đề của đời sống. Một trong số công nghệ di truyền quan trọng là công nghệ DNA tái tổ hợp. Đó là quy trình kĩ thuật nhằm ghép nối DNA từ các nguồn khác nhau, qua đó các nhà khoa học có thể chuyển gene từ loài này sang loài khác, cũng như chỉnh sửa hoặc thay thế các gene trong hệ gene.

Công nghệ di truyền ra đời dựa trên những phát minh quan trọng về một loạt các enzyme ở nhiều loài vi sinh vật, đặc biệt là enzyme Taq polymerase. Taq polymerase là một loại enzyme xúc tác cho quá trình nhân bản DNA ở vi khuẩn sống trong suối nước nóng. Nhờ khả năng chịu được nhiệt độ cao mà không bị biến tính nên các nhà khoa học đã tách chiết và sử dụng enzyme này trong việc nhân bản, tạo ra lượng lớn DNA trong một quy trình hoàn toàn được tự động hoá. Kĩ thuật nhân bản DNA dựa trên enzyme Taq polymerase được gọi là PCR. PCR được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như phát hiện HIV và nhiều loại virus gây bệnh cho người và động, thực vật cũng như phát hiện các gene gây bệnh,... Hầu hết các ứng dụng của kĩ thuật di truyền đều sử dụng kĩ thuật PCR. Ví dụ: Để xác định xem một người có thực sự bị nhiễm SARS – CoV – 2 hay không, người ta tiến hành lấy mẫu bệnh phẩm từ bệnh nhân, tách chiết RNA của virus rồi dùng enzyme sao chép ngược chuyển RNA thành DNA, sau đó dùng PCR để nhân bản DNA của virus. Kết quả xét nghiệm là dương tính nếu vật chất di truyền của virus được nhân bản với số lượng lớn.

Bên cạnh enzyme Taq polymerase, enzyme cắt giới hạn (restrictase) cũng góp phần quan trọng trong kĩ thuật di truyền. Đây là enzyme có khả năng cắt phân tử DNA ở vị trí xác định thành các đoạn nhỏ. Các đoạn DNA từ nhiều nguồn khác nhau (thường là từ các loài khác nhau) được cắt bởi cùng một loại enzyme giới hạn sẽ tạo ra những đầu được gọi là “đầu dính” giống nhau, vì vậy có thể được ghép nối với nhau dựa trên sự bắt đôi bổ sung của các nucleotide. Sau đó, sử dụng enzyme nổi (ligase) để nối các đoạn DNA lại với nhau tạo ra DNA tái tổ hợp.

II – TRIỂN VỌNG CÔNG NGHỆ ENZYME TRONG TƯƠNG LAI

Ngoài những ứng dụng của enzyme như đã đề cập ở trên, enzyme còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác của đời sống như sản xuất giấy và bột giấy, chất tẩy rửa, công nghiệp điện ảnh, nước hoa, mĩ phẩm, công nghệ dệt, công nghệ thuộc da, nguyên liệu cho nghiên cứu khoa học, nhiên liệu sinh học và xử lí ô nhiễm môi trường. Triển vọng enzyme trong tương lai được kì vọng sẽ đem lại những điều kì diệu hơn nữa. Ngành công nghiệp sản xuất chế phẩm enzyme và sử dụng chế phẩm enzyme dự báo sẽ ngày càng tăng ở quy mô công nghiệp.

1. Sử dụng enzyme trong phân tích, chẩn đoán và điều trị bệnh

Trong những năm gần đây, công nghệ enzyme đã tiếp cận các phân tích trong chăn nuôi, trồng trọt, nghiên cứu, công nghiệp thực phẩm, chẩn đoán y tế. Triển vọng trong tương lai là sản xuất và sử dụng rộng rãi nguồn enzyme không chỉ trong phân tích, chẩn đoán mà cả trong cảnh báo và điều trị bệnh.

2. Triển vọng tổng hợp thuốc bằng phương pháp xúc tác enzyme sinh học

Các phân tử thuốc khi được tổng hợp đều có cấu trúc không gian ba chiều, tuy nhiên với thuốc được tổng hợp hoá học thì chỉ một trong hai đồng phân của chúng có tác dụng mong muốn trong cải thiện bệnh, đồng phân còn lại và các tạp chất thường gây ra các tác dụng phụ hoặc độc tính không mong muốn. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã đưa ra phương pháp xúc tác enzyme sinh học cho phép tạo ra sản phẩm thuốc ít tạp chất hơn và giảm được đáng kể các đồng phân quang học không mong muốn.

3. Sử dụng enzyme trong xử lí chất thải

Enzyme có thể được sử dụng để xử lí các chất ô nhiễm đặc biệt, khó phân giải bằng cách kết tủa hoặc chuyển chúng thành dạng khác. Ngoài ra, enzyme có thể làm thay đổi các đặc tính của chất thải nhằm đưa chúng về dạng dễ xử lí hoặc chuyển thành các sản phẩm có giá trị hơn mà không gây ra những biến đổi bất thường, không phá vỡ cân bằng sinh thái.

Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra một nhóm vi khuẩn có khả năng phân huỷ nhựa nhờ một loại enzyme trong tế bào, mở ra giải pháp mới cho vấn đề xử lí ô nhiễm rác thải nhựa trên thế giới.

Triển vọng xử lí ô nhiễm nước ngầm nhờ hoạt động của enzyme oxy hoá do vi khuẩn tạo ra. Các chất độc gây ô nhiễm nước ngầm khuếch tán vào các hạt chứa trong tế bào vi khuẩn và được vi khuẩn này sử dụng làm nguồn dinh dưỡng. Kết quả là các chất gây ô nhiễm được biến đổi thành hợp chất vô hại.

Trong những năm qua, xu hướng phát triển công nghệ enzyme là áp dụng kĩ thuật di truyền làm biến đổi có định hướng cấu trúc enzyme; làm thay đổi cấu trúc, hoạt tính, hiệu suất phản ứng enzyme; tạo ra những chế phẩm có thể sử dụng trong điều kiện sản xuất không thuận lợi về các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, pH,...

Một xu hướng hứa hẹn nhiều triển vọng là làm biến đổi trung tâm hoạt động của enzyme bằng cách gây đột biến điểm dẫn tới thay đổi cấu hình enzyme, làm cho hoạt tính enzyme thay đổi theo. Có thể nói, công nghệ enzyme là một trong những lĩnh vực có nhiều triển vọng, hứa hẹn giải quyết được nhiều vấn đề nan giải mà cuộc sống hiện đại đặt ra. Việc phát hiện ra các enzyme tự nhiên mới và sản xuất các enzyme nhân tạo phục vụ cho đời sống còn nhiều cơ hội và tiềm năng ở phía trước.