Bài 8: Sản xuất enzyme tự nhiên

I. NGUỒN ENZYME TỰ NHIÊN

Mọi tế bào, cơ thể sống đều có enzyme vì enzyme tham gia vào hầu hết các phản ứng trao đổi chất và năng lượng của tế bào, nhờ đó sinh vật thực hiện được các chức năng sống.

Tuy nhiên, không phải tất cả các tế bào, mô, cơ quan, bộ phận trong cơ thể sống đều chứa cùng loại và lượng enzyme. Các loài khác nhau có thể sinh tổng hợp các loại enzyme khác nhau cùng nhóm. Ví dụ: Cùng sinh tổng hợp enzyme thuỷ phân protein (nhóm protease) nhưng đu đủ có papain, dứa có bromelain. Tuỳ từng điều kiện sống khác nhau mà các cá thể khác nhau trong cùng một loài cũng sinh tổng hợp loại enzyme và lượng enzyme không giống nhau.

Ba nguồn sản xuất enzyme tự nhiên là:

(1) tế bào, mô và cơ thể động vật;

(2) tế bào, mô và cơ thể thực vật;

(3) vi sinh vật.

Để có thể dùng làm nguyên liệu sản xuất enzyme trong công nghệ enzyme, nguồn nguyên liệu tự nhiên phải đáp ứng được các điều kiện sau: chứa lượng lớn enzyme, chi phí thấp, dễ sản xuất; không đối lập với các nhu cầu khác của con người và môi trường; dễ thu hồi, tinh sạch và bảo quản.

Vi sinh vật sinh trưởng nhanh trong môi trường nuôi cấy nhân tạo. Rất nhiều vi sinh vật sinh trưởng được trên các môi trường chỉ chứa nguồn carbon rẻ tiền và các khoáng chất đơn giản. Hơn nữa, môi trường sống của vi sinh vật rất đa dạng nên nguồn enzyme của chúng cũng rất phong phú, có những tính chất đặc biệt, phù hợp với các ứng dụng khác nhau của con người mà các enzyme từ thực vật và động vật không có. Đó là những ưu điểm vượt trội của nguồn nguyên liệu khai thác từ vi sinh vật so với nguyên liệu thực vật và động vật trong sản xuất các chế phẩm enzyme tự nhiên. Chế phẩm enzyme tự nhiên được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp chế biến thực phẩm. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong công nghiệp mĩ phẩm và dược phẩm.

II. SẢN XUẤT ENZYME TỰ NHIÊN

1. Quy trình sản xuất enzyme tự nhiên

Các giai đoạn cơ bản trong quy trình sản xuất enzyme tự nhiên:

1.1. Nuôi trồng và thu hoạch nguyên liệu động vật, thực vật; nuôi cấy vi sinh vật

Nuôi trồng và thu hoạch nguyên liệu động vật và thực vật

Bước đầu tiên trong quy trình sản xuất enzyme từ tế bào, mô, cơ thể động vật và thực vật là tiến hành nuôi trồng trong các nông trại hoặc đánh bắt, thu hải từ tự nhiên các loài động vật và thực vật làm nguyên liệu để sản xuất enzyme.

Nguồn nguyên liệu sau khi thu hoạch phải được chế biến ngay để tránh mất mát, biển tỉnh enzyme. Nếu chưa thể chế biến ngay, nguồn nguyên liệu này cần được bảo quản trong điều kiện thích hợp (để lạnh hoặc sấy khô) đối với từng loại enzyme.

Nuôi cấy vi sinh vật

Sản xuất enzyme từ vi sinh vật có thể được thực hiện bằng công nghệ nuôi cấy bềmặtrắn(SSF–Solid State Fermentation) hoặc nuôi cấy chìm (SmF – Submerge Fermentation).

Công nghệ nuôi cấy bề mặt rắn sử dụng các khay đựng cơ chất, lên men dạng rắn. Loại cơ chất này là các phế phẩm, phụ phẩm công nghiệp, nông nghiệp như mùn cưa, vỏ trấu, rơm, rạ cắt nhỏ,... được thấm dung dịch dinh dưỡng. Cơ chất này vừa là chỗ bám, đồng thời là nguồn thức ăn cho vi sinh vật sinh trưởng, phát triển. Đây là công nghệ nuôi cấy phù hợp đối với các vi sinh vật hiếu khí, có khả năng tận dụng được các phế phẩm, phụ phẩm công nghiệp, nông nghiệp nhưng đòi hỏi diện tích bề mặt lớn, khó đảo trộn đồng đều cơ chất và chỉ nuôi được theo mẻ.

Công nghệ nuôi cấy chìm cho phép nuôi cấy cả vi sinh vật hiểu khi lẫn kị khí trong môi trường dịch thể theo kĩ thuật nuôi theo mẻ (không bổ sung thêm chất dinh dưỡng trong suốt quá trình nuôi) hoặc kĩ thuật nuôi cấy liên tục (chất dinh dưỡng được bổ sung và dịch nuôi được lấy ra liên tục với tốc độ dòng chảy như nhau trong suốt quá trình nuôi). Tuy nhiên, cơ chất (các chất dinh dưỡng) phải được hoà tan trong dung dịch và dịch nuôi cấy được khuấy trộn liên tục bằng cánh khuấy.

1.2. Trích li enzyme từ nguyên liệu động vật, thực vật và vi sinh vật

Trích li enzyme từ nguyên liệu động vật và thực vật

Cắt nhỏ và nghiền mẫu trong nước là phương pháp thông dụng để trích li enzyme từ tế bào động vật và thực vật. Dịch nghiên thường được lọc qua màng vải để loại bỏ cặn tế bào và thu dịch lọc chứa enzyme. Người ta kết tủa enzyme trong dịch lọc bằng (NH),SO hoặc các hoá chất khác để thu hồi chế phẩm enzyme thổ (hỗn hợp enzyme và các protein, các thành phần khác của tế bào) cho bước tỉnh sạch enzyme tiếp theo.

Trích li enzyme từ vi sinh vật

Vi sinh vật có thể sản xuất các enzyme ngoại bào (tiết ra bên ngoài tế bào) và nội bào (có ở bên trong tế bào). Đối với các enzyme ngoại bào, dịch enzyme thô được thu hoạch bằng cách lọc bỏ sinh khối tế bào. Đối với các enzyme nội bảo, dịch enzyme thô được trích li từ sinh khối tế bào bằng các phương pháp phá vỡ tế bào khác nhau (phương pháp vật lí: nghiền với bi thuỷ tinh, thay đổi áp suất dịch tế bảo, dùng nhiệt độ để phá vỡ tế bảo; phương pháp hoá học: dùng các chất tẩy rửa, các ion gây thay đổi áp suất thẩm thấu trong tế bào,...; hoặc kết hợp với phương pháp sinh học: dùng enzyme để phá vỡ tế bào). Sau đó, dịch enzyme thô được cô đặc bằng các phương pháp tương tự như đối với dịch lọc enzyme từ sinh khối động vật, thực vật.

1.3. Tinh sạch enzyme

Dịch enzyme trích li từ tế bào hoặc từ môi trường nuôi cấy có thể chứa các thành phần dinh dưỡng, chất thải độc hại từ môi trường nuôi cấy hoặc các thành phần khác nhau trong tế bào động vật, thực vật và vi sinh vật bị phá vỡ. Loại bỏ các thành phần này ra khỏi dung dịch nhằm tinh sạch enzyme là bước quan trọng để thu hồi chế phẩm enzyme.

Căn cứ vào các đặc tính khác nhau của từng enzyme, người ta có thể tinh sạch enzyme qua nhiều bước khác nhau bằng các kĩ thuật sau:

- Dùng các dung môi có ái lực (có khả năng hoà tan và hấp thu) với các hợp chất cao phân tử (các polysaccharide, lipid,...) để tách chúng ra khỏi dịch chứa enzyme.

- Dùng các phương pháp sắc kí khác nhau (trao đổi ion, tương tác kị nước, ái lực và lọc gel) để tách enzyme ra khỏi dịch chứa enzyme.

Sắc kí là phương pháp phân tách các phân tử khác nhau trong một hỗn hợp dựa trên kích thước của các phân tử hoặc các liên kết (trao đổi ion, kị nước, ái lực,...) giữa phân tử cần phân tách với các nhóm chức trên chất mang.

1.4. Phối chế, đóng gói và bảo quản chế phẩm enzyme

Các chế phẩm enzyme tự nhiên có thể là các chế phẩm enzyme thô (chưa được tinh sạch hoàn toàn, còn chứa enzyme và nhiều thành phần khác) hoặc chế phẩm enzyme tinh sạch (chỉ chứa enzyme). Để có thể giữ được hoạt tính của các enzyme trong chế phẩm, người ta thường bổ sung các chất phụ gia (một số loại đường đơn, đường đôi, polysaccharide hoặc các chất tương thích) vào chế phẩm enzyme trước khi đóng gói nhằm đảm bảo sự ổn định về cấu trúc và các đặc tính của enzyme. Tuỳ thuộc vào độ bền của enzyme, chế phẩm có thể được sấy khô, sấy phun, sấy đông khô và được đóng gói dạng bột hoặc được giữ trong dung dịch bảo quản và đóng chai. Tuỳ từng loại chế phẩm enzyme và các ứng dụng khác nhau, điều kiện bảo quản chế phẩm enzyme trước khi đến tay người sử dụng có thể rất khác nhau: bảo quản ở nhiệt độ thường (25 – 30 °C), bảo quản trong điều kiện mát (4 – 10 °C) hoặc ở điều kiện đông lạnh (từ –20 °C đến –30 °C).

2. Ví dụ về quy trình sản xuất enzyme tự nhiên

Amylase là enzyme thuỷ phân tinh bột, được sử dụng nhiều trong công nghiệp chế biến bia, rượu, nước giải khát; chế biến bánh kẹo; công nghiệp giặt tẩy.

Chế phẩm amylase có thể được sản xuất từ vi sinh vật (nấm mốc Aspergillus oryzae, Aspergillus niger, vi khuẩn Bacillus subtilis, ...) hoặc từ thực vật (hạt đại mạch hoặc hạt lúa nảy mầm,...).