Tiểu luận công nghệ enzyme Đề tài tổng quan về enzyme pectinase

Việc sử dụng pectinase vi sinh vật trong các ngành công nghiệp khác nhau đã được gia tăng trong nhu cầu thế giới.. So với xúc tác hóa học, enzym có nhiều ưu điểm như độ đặc hiệu cao, hiệ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA HOÁ

~~~~~~*~~~~~~

TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ ENZYME

Đề tài: “TỔNG QUAN VỀ ENZYME PECTINASE”

GVHD : ThS Nguyễn Hoàng Minh Nhóm : 8

Lớp : 18SH SVTH : Trần Thị Minh Nguyệt

Phan Thị Thuý Hằng Nguyễn Thị Mỹ Duyên Trịnh Tú Sương

Huỳnh Thanh Tú Trần Thị Trang

Đà Nẵng, 2022

ii

LỜI MỞ ĐẦU

Pectinase là một nhóm các enzym xúc tác sự phân hủy các chất pectic Nó có ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm để sản xuất và làm rõ các loại rượu và nước trái cây[1]

Việc sử dụng pectinase vi sinh vật trong các ngành công nghiệp khác nhau đã được gia tăng trong nhu cầu thế giới Các nguồn chính của pectinase là vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn, nấm và nấm men[2]

Việc sử dụng chất thải nông nghiệp và công nghiệp giá rẻ làm chất nền đã được ưu tiên hơn trong sản xuất pectinase Sản xuất pectinase phải đối mặt với các hạn chế tối ưu hóa các thông số khác nhau như nhiệt độ, pH và thời gian sản xuất là những yếu tố chính trong sản xuất pectinase Enzyme pectinase đang được chú ý do một số ưu điểm của nó Do đó, nó cần được khám phá thêm để tận dụng tối đa lợi thế của nó trong các ngành công nghiệp khác nhau[2]

iii

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ENZYME PECTINASE 1

1.1 Khái niệm: 1

1.2 Lịch sử phát triển: 1

1.3 Phân loại 2

1.3.1 Protopectinase: 2

1.3.2 Pectinesterases: 3

1.3.3 Depolymerizing enzymes: 3

1.4 Vi sinh vật để sản xuất Pectinase 4

1.5 Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác: 7

1.5.1 Ảnh hưởng của pH: 7

1.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ: 7

1.5.3 Ảnh hưởng của thời gian lên men: 7

1.5.4 Ảnh hưởng của nồng độ chất nền: 7

1.6 Các ứng dụng công nghiệp của Pectinase vi sinh vật 8

1.6.1 Chế biến Dệt may 8

1.6.2 Trái cây và chế biến rau 8

1.6.3 Chế biến rượu 9

1.6.4 Lên men cà phê và trà 9

1.6.5 Khai thác dầu 10

1.6.6 Các ngành công nghiệp giấy và bột giấy 10

1.6.7 Tái chế giấy thải 10

1.6.8 Xử lý nước thải 10

1.6.9 Prebiotics / Thực phẩm chức năng 11

1.7 Tình hình nghiên cứu và sản xuất pectinase trong nước và trên thế giới 11

1.7.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất enzyme trên thế giới 11

1.7.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất enzyme ở Việt Nam 11

CHƯƠNG 2: KẾT LUẬN 13

CHƯƠNG 3: TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Pectin và các nhóm chức của nó 1 Hình 2 Phân loại Pectinases 2 Hình 3 Hoạt động của Pectin methylesterase trên chuỗi axit polygalacturonic[2] 3 Hình 4 Các ứng dụng khác nhau của enzyme peptinase 8

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ENZYME PECTINASE

1.1 Khái niệm:

Pectinase được định nghĩa là các enzym hỗn hợp thủy phân các chất pectic, hầu hết có trong vi sinh vật và thực vật bậc cao Pectinase là tập hợp các enzym xúc tác các chất chứa pectin do thực vật và vi sinh vật tạo ra Phần lớn các enzym thương mại thu được bằng cách sử dụng các mẫu cấy nấm Pectinase tham gia vào quá trình trao đổi chất của thành tế bào cũng như trong quá trình tăng trưởng của tế bào, sự già

đi, sự chín của trái cây, quá trình sinh bệnh và quá trình hình thành quả[2]

Pectin là một trong những đại phân tử sinh học phức tạp nhất trong tự nhiên

và nó có thể bao gồm 17 monosaccharid khác nhau và ít nhất bảy polysaccharid khác nhau Pectin là thành phần cấu tạo của phiến giữa và vách tế bào sơ cấp trong thành

tế bào thực vật và trong vách tạo thành một chất nền trong đó có một mạng lưới xenluloza và hemixenluloza Các chất pectic là các polysaccharide axit dạng keo phức tạp với chuỗi trụ axit galacturonic dài và liên kết với nhau bằng các liên kết glycoside[2]

Hình 1 Pectin và các nhóm chức của nó

1.2 Lịch sử phát triển:

Enzyme là những chất có trong tế bào của cơ thể sống với một lượng nhỏ có khả năng đẩy nhanh các phản ứng hóa học mà bản thân chúng không bị biến đổi sau phản ứng So với xúc tác hóa học, enzym có nhiều ưu điểm như độ đặc hiệu cao, hiệu suất xúc tác cao và hoạt tính có thể điều chỉnh được, điều này thúc đẩy rất nhiều việc

sử dụng enzym trong công nghiệp dược phẩm, hóa chất và thực phẩm Do những tính năng mong muốn này, nhu cầu về enzym công nghiệp đã tăng lên một tầm cao mới đòi hỏi phải liên tục nghiên cứu và phát triển để tối ưu hóa sản xuất và giảm thiểu chi phí tài nguyên Việc phát hiện ra enzyme được bắt đầu vào giữa thế kỷ 19 và lần đầu tiên chúng được đưa vào ứng dụng công nghiệp bằng cách sử dụng enzyme nấm Tuy

2

nhiên, sau hai mươi năm Boidin và Effront đã giới thiệu các enzym vi khuẩn trong

ngành công nghiệp[2]

Hầu hết nhu cầu công nghiệp về enzym có nguồn gốc từ vi sinh vật Do khả

năng phát triển cao, tuổi thọ ngắn và dễ dàng thao tác di truyền, vi sinh vật được ưa

thích trong công nghiệp để sản xuất enzyme Enzyme vi sinh vật được cung cấp, tiêu

chuẩn hóa tốt và được bán trên thị trường bởi một số công ty cạnh tranh Trong số

các enzym quan trọng về mặt công nghiệp này, pectinase có một ý nghĩa đặc biệt do

được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực quan trọng như thực phẩm, dệt may, đồ uống,

bột giấy và giấy, và các ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học Các pectinase vi sinh

vật chiếm 25% quy mô thực phẩm và enzyme công nghiệp trên toàn thế giới và thị

trường tăng lên theo thời gian[2]

Các ứng dụng thương mại của pectinase đã được quan sát trong những năm

1930 Enzyme pectic là tên gọi khác của pectinase thuộc họ polysaccharid Chúng hỗ

trợ thực vật trong việc mở rộng thành tế bào của chúng, làm mềm các mô tại thời

điểm trưởng thành và bảo quản và cũng duy trì sinh thái cho quá trình phân hủy và

tái chế chất thải của thực vật Enzyme pectinase được sử dụng rộng rãi trong ngành

công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong chiết xuất và chế biến nước trái cây[2]

1.3 Phân loại

Theo ủy ban enzym và hiệp hội hóa sinh quốc tế, enzym pectinase được phân

loại dưới nhóm hydrolase và gồm các nhóm sau [3]:

Hình 2 Phân loại Pectinases

1.3.1 Protopectinase:

Phần không hòa tan của các chất pectic được gọi là protopectin và nó cần các

dung môi khác để phân hủy pectin Protopectinase là một phân loại của pectinase làm

phân hủy protopectin không hòa tan có trong trái cây chưa chín và tạo ra pectin hòa

tan được polyme hóa cao Tên khác của enzym này được gọi là pectinosinase

3

1.3.2 Pectinesterases:

Một trong những nhóm chức chính trong cấu trúc pectin là metoxyl este Các methylesterase pectin chịu trách nhiệm loại bỏ nhóm metoxyl này khỏi các chất pectic, và quá trình loại bỏ này cuối cùng tạo ra axit pectic và metanol[2]

Hình 3 Hoạt động của Pectin methylesterase trên chuỗi axit polygalacturonic[2]

1.3.3 Depolymerizing enzymes:

Depolymerase là các enzyme xúc tác sự phân cắt thủy phân của các liên kết α (1, 4) -glycosidic trong các gốc axit D-galacturonic của các chất pectic (Rexova, 1976)

- Polymetyl-galacturonase (PMG - poly – α1,4 – galacturonit – metyl esteglucanhidrolase 3.2.1.41EC) PMG lại được phân thành 2 nhóm nhỏ phụ thuộc vào vị trí phân cắt liên kết α1,4 ở trong hay ở cuối và đầu mạch

+ Endo glucozidase polymethyl galacturonase ( endo – PMG ): cắt liên kết α1,4 ở tromg mạch pectin Do đó, petin có mức độ methyl hóa càng cao ( nhiều gốc mrthoxy-OCH3) thì bị phân hủy cafg nhanh Trong môi trường có mặt pectinesterase thì enzyme này thường bị giảm hoạt lực Endo – PMG rất phổ birn ở ác giống nấm mốc như Asp Niger, Asp Awamori, Botrytis cinezea, Neurispora crassa

+ Exo glucozidase polymethyl galacturonase (exo – PMG ): cắt từng gốc monome acid galacturonic ra khỏi mạch pectin bắt đầu từ đầu không khử có nhóm methoxy (-OCH3)

+ Endo glucozidase polygalacturonase (endo – PG là enzyme thủy phân acid pectin và acid pectinic tại vị trí có gốc -COOH Hoạt độ của endo – PG tăng lên nhiều khi cơ chất được xửa lý trước băngf pectinesterase (để tạo nhiều gốc -COOH tự do )

+ Exo glucozidase polygalacturonase (exo – PG) à enzyme thủy phân các liên kết gắn với nhóm -CÔH tự do ở đầu hay cuối mạch acid pectic và acid pectinic

- Lyases: là nhóm enzyme xúc tác phá vỡ liên kết α-1,4 của pectin và acid pectic

4

+ Polymethylgalacturonate lyase (PMGL): Xúc tác phá vỡ liên kết α1,4 đặc hiệu với pectin có mức độ ester hóa cao

+ Polygalacturonate lyase (PGL): xúc tác phá vỡ liên kết α1,4 của acid pectic

1.4 Vi sinh vật để sản xuất Pectinase

Có thể sản xuất enzyme từ các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm và nấm men cũng như

xạ khuẩn Enzyme vi sinh vật tốt hơn enzyme động vật hoặc thực vật Các vi sinh vật khác nhau tham gia vào quá trình sản xuất pectinase bằng cách sử dụng pectin làm nguồn cacbon Pectin bị phân hủy bởi một số vi sinh vật tạo ra nhiều loại hợp chất và enzym có liên quan đến một số ứng dụng công nghiệp Nhiều vi khuẩn, nấm và nấm men quan trọng rất khéo léo trong việc phân giải các chất pectins để tạo ra pectinase[2]

NO Vi sinh vật Loại enzyme

pectinase pH

Nhiệt độ

oC

Thời gian lên men

Tài liệu tham khảo

1 Bacillus sp PME 6 60 —

Karbalaei and Rastegari

2

Bacillus stearothermophil

us

Pectinase 7.5 60 36 h Torimiro

and Okonji

3 Bacillus cereus Pectinase 8 50 36 h Torimiro

and Okonji

4 Bacillus firmus PG 7 50 30 min Roosdiana

et al

5 Bacillus

Mojavensis Pectinase 8 60 24 h Sohail and

Latif

6 Bacillus pumilus Exo pectinase 8 30 6 h Tepe and

Dursun

7 Erwinia

carotovora PG 5.2 35 72 h Kothari

and Baig

8 Erwinia

carotovora PL 7 35 — Zucker

and Hanki

5

9 Pectobacterium

carotovora PL 8.5 50 —

Masuria and Nerurkar

10 Erwinia spp Pectinase 7 37 96 h Mehta et

al

11 Erwinia

carotovora PG and PL 10 35 — Sittidilokr

atna et al

12 Erwinia

chrysanthemi PG 10 37 — Sittidilokr

atna et al

13 Erwinia

carotovora PG 10 50 — Jayani et

al

14 Erwinia

chrysanthemi Pectinase

5–

al

15 Bacillus subtilis — 5 50 — Prajapati

et al

16 Bacillus tropicus — 9 37 72 h Thakur et

al

Nấm

17 Penicillium

chrysogenum PG 6.5 50 5 days Banu et al

18 Aspergillus

oryzae Pectinase — 30 2 days

Thangarat ham and Manimega lai

19 Aspergillus flavus Pectinase 5.5 35 7 days

Thangarat ham and Manimega lai

20 Moniliella sp PG 4.5 55 15 days Martin et

al

21 Trichoderma

harzianum Pectin lyase 7 40 3 days Nabi et al

22 Aspergillus sojae PG — 30 8 days Heerd et

al

23 Aspergillus Niger

Abdullah

et al

6

24 Aspergillus sojae PG 6 37 4 days Demir and

Tari

25 Schizophyllum

commune Pectin lyase 6 35 1 day

Mehmood

et al

et al

26 Fusarium

proliferatum Polygalacturonase 3.6 43.4 — Junior et

al

27 Aspergillus Niger Polygalacturonase 7.5 40 3 days Adedayo

et al

28 Aspergillus flavus Polygalacturonase 7.7 40 3 days  

Nấm

men

29 Wickerhanomyces

anomalus Polygalacturonase 4.5 40–50 — Martos et

al

30 Wickerhamomyce

s anomalus Polygalacturonase — — 8 hr Martos et

al

31

Saccharomyces

cerevisiae (strain

KNU18Y12 and

KNU18Y13)

Pectin methylesterase (PME)

— 28 48 hr Haile and

Kang

32

Kluyveromyces

marxianus CCT

3172 and P

anomala S16

Polygalacturonase 5.5 40 —

Masoud and Jespersen

33 P kluyveri S13Y4 Polygalacturonase 5 50 —  

34

Kluyveromyces

marxianus CCT

3172, P

anomala S16

and P

kluyveri S13Y4

35 Filobasidium

capsuligenum Pectinase 4.5 40 2 hr Merín et

al

7

36

Kluyveromyces

marxianus NRRL

-Y-1109

Pectinase 6 30 48 hr Oskay &

Yalcin

1.5 Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác:

1.5.1 Ảnh hưởng của pH:

Theo tổng hợp cho thấy giá trị pH optimun của các loài Bacillus dao động từ

4 -10 [4] Nhưng lượng pectinase tối đa được ghi nhận ở pH=7 Một nghiên cứu khác

cho thấy pectinase được sản xuất từ chủng Chryseobacterium indologenes SD được

tối ưu hóa với các phạm vi pH khác nhau 5-9, nhưng sản lượng pectinase cao nhất thu được ở pH 7,5 như nghiên cứu của Roy và các cộng sự [5]

1.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Các nhà nghiên cứu khác nhau đã thu được sản lượng pectinase tối đa bởi các loài vi khuẩn khác nhau trong các khoảng nhiệt độ khác

nhau Polygalacturonase được sản xuất ở các nhiệt độ khác nhau bắt đầu từ 25–50

°C trong khoảng 5 ℃ Từ nhiệt độ này, vi khuẩn Bacillus sphaericus tạo ra

polygalacturonase tối đa ở 30 ℃ [6] Pectinase tối đa được tạo ra bởi Erwinia loài

FW2 trong các phạm vi nhiệt độ khác nhau Phạm vi nhiệt độ này là 20 - 65

°C Theo nghiên cứu của Mehta và các cộng sự, sản lượng pectinase tối đa được

quan sát ở 37 °C Pectin lyase kiềm được tạo ra bởi một loài Brevibacillus

borstelensis (P35) mới được phân lập trong khoảng nhiệt độ 20 - 100 °C và hoạt

động tối đa cao nhất ở 60 °C theo báo cáo của Demir và các cộng sự [7]

1.5.3 Ảnh hưởng của thời gian lên men:

Việc sản xuất pectinase tối đa từ các vi sinh vật khác nhau thay đổi theo thời

gian Loài Bacillus MFW7 tạo ra một lượng đáng kể pectinase sau 96 giờ ủ sử dụng môi trường lên men là chất thải rắn theo báo cáo của Kalaichelva [8]và Erwinia

carotovora MTCC1428 đã tạo ra lượng hoạt tính polygalacturonase ngoại bào tối

đa vào cuối thời gian lên men 72 giờ trong điều kiện lên men môi trường lỏng với các nguồn nito và cacbon khác nhau

1.5.4 Ảnh hưởng của nồng độ chất nền:

Khi nồng độ pectin thay đổi, nó ảnh hưởng đến việc sản xuất pectinase Lượng hoạt động pectinase cao nhất được quan sát ở 0,8% nồng độ pectin Hoạt tính tối đa này của pectinase được thực hiện bằng cách lấy các khoảng nồng độ khác nhau (0,1– 1%) trong khoảng 0,1% của nồng độ pectin như được nghiên cứu bởi Khan và Barate [9] Các nghiên cứu khác chỉ ra rằng khi nồng độ pectin tăng lên, hoạt tính của pectinase tăng lên đến nồng độ tối ưu và sau khi vượt qua nồng độ tối ưu, hoạt tính của pectinase bị giảm xuống

8

1.6 Các ứng dụng công nghiệp của Pectinase vi sinh vật

Việc áp dụng rộng rãi pectinase là do nhu cầu ngày càng tăng của nó trên toàn cầu Ứng dụng của enzyme pectinolytic rất đa dạng tùy theo điều kiện vật chất sẵn

có Pectinase đã được sử dụng trong một số quy trình công nghiệp thông thường, chẳng hạn như dệt, chế biến sợi thực vật, chiết xuất trà, cà phê và dầu và xử lý nước thải công nghiệp, có chứa vật liệu ăn côn trùng[2]

1.6.1 Chế biến Dệt may

Pectinase, kết hợp với các enzym khác như amylase, lipase, cellulase, và hemicellulase, đã được sử dụng trong ngành dệt may để loại bỏ các chất hồ từ bông, thay thế cho việc sử dụng các hóa chất khắc nghiệt Các sự kết hợp khác nhau của các enzym, chẳng hạn như xenlulo với pectinase và xenlulo với pectinase và protease,

đã được sử dụng để kết hợp sinh học của bông để đạt được độ trắng và độ thấm hút hiệu quả của vải dệt Việc sử dụng các enzym như pectinase kết hợp với amylase, lipase, cellulase và các enzym phân giải hemicellulolytic khác để loại bỏ các chất hồ

đã làm giảm việc sử dụng các hóa chất khắc nghiệt trong ngành dệt may, dẫn đến giảm lượng hóa chất thải ra môi trường, cải thiện cả an toàn của điều kiện lao động đối với công nhân dệt và chất lượng của vải[2]

Hình 4 Các ứng dụng khác nhau của enzyme peptinase

1.6.2 Trái cây và chế biến rau

Pectinase góp phần làm giảm độ nhớt, độ trong của nước trái cây, và độ chua của rau, cũng như giảm thời gian lên men Trong công nghiệp nước ép rau quả, pectinase được sử dụng rộng rãi Các ngành công nghiệp này sản xuất thương mại