Enzyme công nghiệp

Protease là enzyme được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong một số ngành sản xuất như: chế biến thực phẩm (đông tụ sữa làm pho mát, làm mềm thịt, bổ sung để làm tăng chất lượng sản phẩm trong sản xuất bia, xử lý phế phụ phẩm trong chế biến thực phẩm…), sản xuất chất tẩy rửa, thuộc da, y tế, nông nghiệp…

1 I/ Giới thiệu về enzyme: 1) Khái niệm: Trong các tế bào của cơ thể sống luôn luôn xảy ra quá trình trao đổi chất. Sự trao đổi chất ngừng thì sự sống không còn tồn tại. Quá trình trao đổi của một chất là tập hợp các quy luật của rất nhiều phản ứng hoá học khác nhau. Các phản ứng hoá học phức tạp này có liên quan chặt chẽ với nhau và điều chỉnh lẫn nhau. Enzyme là các hợp chất có bản chất protein xúc tác cho các phản ứng hoá học đó. Chúng có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học nhất định và đảm bảo cho các phản ứng xảy ra theo một chiều hướng nhất định với tốc độ nhịp nhàng trong cơ thể sống. Chúng có trong tất cả các loại tế bào của cơ thể sống. Enzyme còn được gọi là chất xúc tác sinh học (biocatalysator) nhằm để phân biệt với các chất xúc tác hoá học. 2) Ứng dụng enzyme trong công nghiệp: Việc sử dụng enzyme trong công nghiệp là đa dạng, phong phú và đã đạt được nhiều kết quả to lớn. Enzyme đóng 1 vai trò không thể thiếu trong các ngành công nghiệp sau: - Công nghiệp thực phẩm (công nghiệp thịt, công nghiệp chế biến cá, chế biến sữa, công nghiệp bánh mì, bánh kẹo, công nghiệp bia, công nghiệp sản xuất sữa…) - Công nghiệp hương phẩm và mỹ phẩm - Công nghiệp dệt - Công nghiệp thuộc da - Công nghiệp phim ảnh - Công nghiệp y học… II/ Các loại enzyme phổ biến trong công nghiệp thực phẩm: 1) Protease với công nghiệp thực phẩm: Protease (peptit – hidrolase 3.4) là tên gọi chung cho nhóm enzyme xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptit (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptit đến sản phẩm cuối cùng là các axit amin. Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển axit amin. Protease là enzyme được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong một số ngành sản xuất như: chế biến thực phẩm (đông tụ sữa làm pho mát, làm mềm thịt, bổ sung để làm tăng chất lượng sản phẩm trong sản xuất bia, xử lý phế phụ phẩm trong chế biến thực phẩm…), sản xuất chất tẩy rửa, thuộc da, y tế, nông nghiệp… Việc sử dụng trong chế biến làm mềm thịt là ứng dụng có tính truyền thống. Nhân dân ta từ rất lâu đã dùng thơm để nấu canh thịt bò; dùng rau sống là chuối chát, vả kết hợp thức ăn nhiều thịt; đu đủ trong chống táo bón…mà thực chất là sử dụng papain, bromelain, fixin. Người Nga còn dùng protease từ hạt đậu tương nẫy mầm để làm mềm thịt. Ngoài khả năng phân giải để làm mềm 2 thịt, tạo thức ăn dễ tiêu hóa, công nghệ sản xuất các loại dịch thủy phân giàu protein đã được áp dụng một cách có hiệu quả tính năng của protease. Protease là một công cụ để chế biến các phế liệu của công nghiệp thực phẩm thành thức ăn cho người và vật nuôi. Người ta còn khai thác tính đông tụ như của renin, pepsin vào công nghiệp thực phẩm như trong sản xuất phomat. Protease phân bố ở thực vật, động vật, vi sinh vật. Tuy nhiên nguồn enzyme ở vi sinh vật phong phú nhất, có ở hầu hết các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc và xạ khuẩn… Có thể nói vi sinh vật là nguồn nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất enzyme ở quy mô lớn dùng trong công nghệ và đời sống. 2) Pectinase với công nghiệp thực phẩm: Pectinase là một nhóm enzym xúc tác cho sự thủy phân pectin, đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, nhất là trong công nghiệp sản xuất các loại nước ép trái cây. Ðặc biệt, dạng enzyme cố định được sử dụng rất hiệu quả vì có nhiều ưu điểm hơn hẳn dạng enzyme thông thường (enzyme hòa tan). Pectinase đã được dùng trong một số ngành công nghiệp thực phẩm sau: - Sản xuất rượu vang. - Sản xuất nước quả và nước uống không có rượu. - Sản xuất các mặt hàng từ quả: quả cô đặc, mứt. - Sản xuất nước giải khát. - Sản xuất cà phê. Chế phẩm pectinase được sử dụng trong sản xuất nước quả từ các nguyên liệu quả nghiền hay để làm trong nước quả ép. Bởi vì khi có pectin thì khối quả nghiền sẽ có trạng thái keo, do đó khi ép dịch quả không thóat ra được. Nhờ pectinase mà nước quả trong suốt, dễ lọc, hiệu suất tăng. Pectinase còn góp phần chiết rút các chất màu, tanin và các chất hòa tan khác, do đó làm tăng chất lượng của thành phẩm. Những nghiên cứu cho thấy khi ép nho có xử lý bằng pectinase không những làm tăng hiệu suất mà còn làm tăng màu sắc. 3 Trong sản xuất mứt nhừ, mứt đông… nhờ pectinase mà dịch quả có nồng độ đậm đặc hơn. Cũng giống như protease, chế phẩm pectinase được thu nhận từ vi sinh vật, nấm mốc, xạ khuẩn… đặc biệt là các chủng nấm Asp. Ficuum và Asp. Niger có khả năng tổng hợp pectinase cao nhất. 3) Cellulase với công nghiệp thực phẩm: Cellulose là thành phần cơ bản của tế bào thực vật, vì vậy nó có mặt trong mọi loại rau quả cũng như trong các nguyên liệu,phế liệu của các ngành trồng trọt và lâm nghiệp. Nhưng người và động vật không có khả năng phân giải cellulose. Cellulase là enzyme xúc tác cho quá trình chuyển hoá Cellulose thành các sản phẩm hoà tan. Nó chỉ có giá trị làm tăng tiêu hóa, nhưng với lượng lớn nó trở nên vô ích hay cản trở tiêu hóa. Chế phẩm cellulase thường dùng để: - Tăng chất lượng thực phẩm và thức ăn gia súc. - Tăng hiệu suất trích ly các chất từ nguyên liệu thực vật. Ứng dụng trước tiên của cellulase đối với chế biến thực phẩm là dùng nó để tăng độ hấp thu, nâng cao phẩm chất về vị và làm mềm nhiều loại thực phẩm thực vật. Đặc biệt là đối với thức ăn cho trẻ con và nói chung chất lượng thực phẩm được tăng lên. Một số nước đã dùng cellulase để xử lý các loại rau quả như bắp cải, hành, cà rốt, khoai tây, táo và lương thực như gạo. Người ta còn xử lý cả chè, các loại tảo biển… Trong sản xuất bia, dưới tác dụng của cellulase hay phức hệ citase trong đó có cellulase, thành tế bào của hạt đại mạch bị phá hủy tạo điều kiện tốt cho tác động của protease và đường hóa. Trong sản xuất agar-agar, tác dụng của chế phẩm cellulase sẽ làm tăng chất lượng agar- agar hơn so với phương pháp dùng acid để phá vỡ thành tế bào. Đặt biệt là việc sử dụng chế phẩm cellulase để tận thu các phế liệu thực vật đem thủy phân, dùng làm thức ăn gia súc và công nghệ lên men. Những ứng dụng của cellulase trong công nghiệp thực phẩm đã có kết quả rất tốt. Tuy nhiên hạn chế lớn nhất là rất khó thu được chế phẩm có cellulase hoạt độ cao. 4) Amylase với công nghiệp thực phẩm: Amylase là một hệ enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật. Các enzyme này thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm polysaccharide với sự tham gia của nước, thường được sử dụng để thủy phân tinh bột. Enzym amylase đã được tìm ra đã góp phần quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp chế biến thực phẩm. Chế phẩm amylase đã được dùng phổ biến trong một số lãnh vực của công nghiệp thực phẩm như sản xuất bánh mì, glucose, rượu, bia . Trong sản xuất bánh mì, chế phẩm amylase đã làm thay đổi hoàn tòan chất lượng của bánh mì cả hương vị, màu sắc, độ xốp . Chế phẩm amylase sạch cho chất lượng bánh mì tốt hơn ở dạng phức hợp với protease. Trong sản xuất bánh kẹo người ta thường dùng maltose là sản phẩm thủy phân tinh bột bằng amylase và glucose bằng glucoamylase. Chính glucoamylase, là yếu tố làm tăng hiệu suất α -amylase 4 trong sản xuất rượu.Trong sản xuất bia, viêc sử dụng amylase có trong các hạt nẩy mầm thay thế malt đã góp phần đáng kể trong việc giảm giá thành. Enzym amylase có thể tìm thấy ở nhiều nguồn khác nhau như amylase từ thực vật, động vật và VSV Nguồn amylase có thể lấy từ mầm thóc, mầm đại mạch ( malt), hạt bắp nảy mầm, hay từ nấm mốc… Nguyên liệu cho sản xuất là gạo, bắp, khoai mì… đây là những nguồn nguyên liệu dễ tìm, rẻ tiền có thể tìm thấy dễ dàng ở nước ta. Do đó, đây là một lợi thế và là hướng phát triển mạnh làm cơ sở cho nhiều ngành khác phát triển III/ Ưu điểm của việc sử dụng enzyme trong CNTP: Nguyên liệu sử dụng trong CN thực phẩm là các sản phẩm nông sản thực tế chúng là các vật thể sống, do đó trong quá trình bảo quản hoặc chế biến chúng thành các sản phẩm thực phẩm xảy ra hàng loạt các quá trình biến đổi sinh học mà các quá trình này được xúc tác tự nhiên bởi enzyme bản thể hay do nhà công nghệ đưa vào để đạt mục đích đặt ra. Vì vậy có thể nói enzym đóng vai trò chủ chốt trong các quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm. Xin giới thiệu khái quát 4 vai trò chính của enzyme trong CNTP: 1) Enzyme khắc phục khiếm khuyết tự nhiên của nguyên liệu: Các sản phẩm nông sản có chất lượng về dinh dưỡng, thành phần hóa học, tính chất cảm quan phụ thuộc nhiều vào: giống, loại nông sản, điều kiện canh tác, điều kiện thu hái và vận chuyển, điều kiện bảo quản. Do vậy chất lượng sản phẩm được tạo ra từ nguyên liệu dao động rất lớn. Trong thực tế nếu chất lượng nguyên liệu quá kém người ta phải điều khiển các phản ứng xúc tác bởi enzyme để tạo nên các thành phần thiếu hụt trong nguyên liệu đưa vào sản xuất Ví dụ: trong sản xuất bia, nguyên liệu chính là malt đại mạch. Để khắc phục malt đại mạch chát lượng kém ( không có khả năng chuyển hóa hết tinh bột thành dextrin, đường lên men .) thường dùng các chế phẩm enzyme thủy phân thuộc hệ amilaza như Termamyl 120L hoặc SC , hệ enzyme proteaza như Neutrase 0,5L. 5 Ví dụ: dứa , cà chua khi đưa vào sản xuất có độ chín khác nhau, phải qua giai đoạn ủ chín để chuyển hóa protopectin (1 hợp chất pectin có cấu tạo phức tạp, ngoài các chuỗi polygalacturonic còn có các thành phần khác như axit axetic, xenlulose, galactose,rhamnose .) về dạng pectin hòa tan nhờ enzyme pectinase. Hoặc sau khi chà sẽ đưa enzyme pectinase vào để phá vỡ màng tế bào thực vật giúp tạo ra các vết nứt trên quả tạo thành rãnh thoát dịch chiết ra ngoài  tăng hiệu suất chiết dịch quả 2) Enzyme nâng cao giá trị thương phẩm của nguyên liệu: Trong thực tế có rất nhiều các nguyên liệu nông sản có giá trị thương phẩm thấp. Sau khi được chuyển hóa bởi tác dụng của enzyme thì giá trị thương phẩm cao hơn rất nhiều, chúng có thể là các sản phẩm không những có giá trị dinh dưỡng cao mà còn phục vụ được cho các mục đích khác ngoài thực phẩm như y học . Ví dụ: trong công nghiệp chế biến tinh bột: 6 mục đích của nhà máy chế biến tinh bột là chuyển hóa tinh bột từ một hợp chất có phân tử lượng cao, hệ số hấp thu kém, giá trị thương phẩm thấp thành các sản phẩm mới có hệ số hấp thu cao hơn, đa dạng hơn , giá trị thương phẩm cao, ứng dụng nhiều trong công nghiệp chế biến các sản phẩm khác. Trước đây ở các nhà máy người ta dùng phương pháp axit: môi trường axit mạnh, HCl; nhiệt độ cao; áp suất cao kèm theo các nhược điểm sau đây: * phải xử lí nguyên liệu đầu vào nhằm mục đích loại các thành phần khác không phải là tinh bột do axit không có tính đặc hiệu * sản phẩm tạp, lẫn nhiều tạp chất từ thành phần nguyên liệu và từ các phản ứng tổng hợp bởi các thành phần vừa được giải phóng ra (phản ứng caramen hóa, phản ứng melanoidin .) làm cho màu của sản phẩm sẫm, mùi khét, độ nhớt cao  quá trình tinh lọc khó khăn. * thiết bị sử dụng trong quá trình chế biến phải có độ bền cao, chịu áp suất, chịu nhiệt  giá thành thiết bị cao * hiệu suất thu hồi thấp  giá thành cao Với sự phát triển của ngành công nghiệp enzyme, đặc biệt là amylase thì hầu hết các nhà máy chế biến tinh bột trên thế giới đã chuyển sang sử dụng phương pháp enzyme. Công nghệ mới này đã khắc phục được toàn bộ nhược điểm trên của phương pháp axit. Thêm vào đó, trong quá trình chế biến tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị cao như: * Maltodextrin: + chất phụ gia để chế tác các sản phẩm thực phẩm cho trẻ em, thực phẩm truyền trực tiếp cho bênh nhân. + tác nhân tạo cấu trúc: tạo độ đặc, độ nhớt cho nước sốt; chất kết dính cho sản xuất thức ăn chính + có khả năng tạo gel thuận nghịch có cấu trúc giống chất béo: thay thế chất béo trong các sản phẩm bơ, mỡ gầy. * Socbitol: + khả năng giữ nước cao : tạo độ đặc sánh cho mật ong + độ ngọt nhẹ : sử dụng nhiều hơn mà không cảm thấy khó chịu + độ nhớt thấp : dễ thao tác trong sản xuất + tạo phức với kim loại nặng: cải thiện việc bảo quản các sản phẩm béo + scobitol tinh thể có entropi hoà tan trong nước rất lớn : có khả năng tạo cảm giác mát  sản xuất kẹo mứt + không làm tăng lượng glucoza trong máu lên cao sau khi ăn : sản xuất thức ăn kiêng cho người bị bệnh đái tháo đường. * Manitol: + sử dụng chủ yếu làm chất tạo ngọt không hút nước + có giá trị hấp thu thấp: bổ sung vào thực phẩm chức năng + tác động phá hủy răng thấp: sx kẹo cao su 3) Enzyme là công cụ trong quá trình chuyển hóa công nghệ: Trong các nhà máy chế biến thực phẩm thì enzyme được sử dụng như một công cụ của toàn bộ quá trình chuyển hóa hoặc là toàn bộ quá trình chuyển hóa trong dây chuyền chế biến. Nếu thiếu sự có mặt của nó thì quá trình chế biến không thành công. Ví dụ: trong sản xuất bia, quá trình chế biến dịch đường có mục tiêu là tìm điều kiện tối ưu chuyển nhiều nhất có thể các chất có trong nguyên liệu đi vào dịch trở thành chất chiết của dịch đường. Để đạt được mục đích này thì ngoài quá trình khuyếch tán đơn giản của các thành phần mà 7 chủ yếu là quá trình chuyển hóa các hợp chất cao phân tử không hòa tan thành các chất thấp phân tử hoà tan dưới tác dụng của nhiều hệ enzyme khác nhau * tinh bột + alpha-amilaza, beta-amilaza --> dextrin : tạo độ sánh và giữ bọt cho bia --> maltoza, glucoza: cung cấp đường cho quá tình lên men * protein + proteaza --> peptit phân tử lượng thấp: tăng khả năng giữ bọt do chứa nhóm chức tích điện , liên kết với CO2 --> axit amin: - đảm bảo độ bền sinh học do ngăn chặn sự tạo thành kết tủa tạo cặn của protein trong quá trình thanh trùng ở nhiệt độ cao (sẽ làm thay đổi hằng số điện môi) - nguồn cung cấp Nitơ đảm bảo quá trình lên men và chống thoái hóa giống - tăng giá trị dinh dưỡng cho bia * Araban (1 hợp chất glucan cao phân tử làm dịch đường rất nhớt) + arabanase  hợp chất thấp phân tử: - giảm độ nhớt - cải thiện quá trình lọc - tăng năng suất dây chuyền * Hợp chất chứa P + sitase, photphatase  giải phóng P: - hợp chất quang trọng trong chu trình Krebs - hợp chất vi lượng cần cho hoạt động sống của nấm men - cân bằng pH trong môi trường lên men 4) Enzyme tăng tính chất cảm quan của sản phẩm: Trong chế biến thực phẩm sau khi xảy ra các giai đoạn chuyển hóa chính, thông thường các sản phẩm thực phẩm chưa hẳn đã đạt chất lượng cảm quan tối ưu. Vì thế chúng có các giai đoạn hoàn thiện sản phẩm , trong giai đoạn này hoặc là tạo nên những điều kiên mới cho các enzyme bản thể có lợi phát huy tác dụng có lợi hoặc bổ sung các enzyme từ ngoài vào để làm tăng chất lượng cảm quan của sản phẩm như cải thiện mùi và vị của sản phẩm Ví dụ: quá trình thủy phân lipit nhờ lipaza --> hợp chất azzetal, ceton có mùi đặc trưng của sản phẩm Ví dụ: làm trong rượu vang nhờ chủ yếu là pectinase, đây là chỉ tiêu chất lượng quan trọng nhất của rượu vang: 8 Với mục đích làm trong rượu các chế phẩm enzyme sử dụng phải có khả năng chịu được nồng độ rượu rừ 10-12% và không chứa các enzyme oxy hóa làm ảnh hưởng đến màu sắc và mùi vị của sản phẩm. Trên thị trường có 3 chế phẩm sử dụng để làm trong dịch quả là: - Pectinex 3XL, Pectinex AR: chịu được nồng độ rượu cao - Viscozyme 120L: chịu được nồng độ rượu thấp nhưng chịu được nồng độ đường cao hơn  sử dụng để làm trong dịch quả cô đặc. Tóm lại, đối với mỗi quá trình sản xuất muốn sử dụng các chế phẩm enzyme một cách hiệu quả nhất ta phải xét đầy đủ đến các tiêu chí lựa chọn như: độ hoạt động của enzyme, độ đặc hiệu của enzyme và sự có mặt của các chất ảnh hưởng. IV/ Ứng dụng trong công nghiệp dệt Trong công nghiệp dệt, chế phẩm amylase được dùng để rũ hồ vải trước khi tẩy trắng và nhuộm. Amylase có tác dụng làm vải mềm, có khả năng nhúng ướt, tẩy trắng và bắt màu tốt. Rũ hồ bằng enzyme không những nhanh, không hại vải, độ mao dẫn tốt mà còn đảm bảo vệ sinh, do đó tăng được năng suất lao động. Trong sản xuất tơ tằm, người ta dùng protease để làm sạch sợi tơ. Với công đoạn xử lý bằng enzyme sau khi xử lý bằng dung dịch xà phòng sẽ giúp lụa có tính đàn hồi tốt, bắt màu đồng đều và dễ trang trí trên lụa. 9 V/ Ứng dụng trong công nghiệp thuộc da: Trong công nghiệp da, enzyme protease được dùng để làm mềm da, làm sạch da, rút ngắn thời gian, tránh ô nhiễm môi trường. Việc xử lý đã được tiến hành bằng cách ngâm da trong dung dịch enzyme, hay phết dịch enzyme lên bề mặt da. Enzyme sẽ tách các chất nhờn và làm đứt một số liên kết trong phân tử collagen làm cho da mềm hơn. Thực tế cho thấy khi xử lý da bằng chế phẩm protease từ vi sinh vật có thể rút ngắn thời gian làm mềm và tách lông xuống nhiều lần. Điều quan trọng là chất lượng lông tốt hơn khi cắt. So với phương pháp hóa học thì việc xử lý bằng enzyme có số lượng lông tăng 20-30%. Lông không cần xử lý thêm sau khi ngâm trong dịch enzyme VI/ Ứng dụng enzyme trong công nghiệp y học: Enzyme có một vị trí quan trọng trong y học. Đặc biệt là các phương pháp định lượng và định tính enzyme trong hóa học lâm sàng và phòng thí nghiệm chẩn đoán. Do đó, hiện nay trong y học đã xuất hiện lãnh vực mới gọi là chẩn đoán enzyme, có nhiệm vụ: - Phân tích xác định nồng độ cơ chất như glucose, ure, cholesterol… với sự hổ trợ của enzyme . - Xác định hoạt tính xúc tác của enzyme trong mẫu sinh vật. - Xác định nồng độ cơ chất với sự hổ trợ của thuốc thử enzyme đánh dấu. Dùng enzyme để định lượng các chất, phục vụ công việc xét nghiệm chẩn đoán bệnh, ví dụ dùng để kiểm tra glucose nước tiểu rất nhạy. Urease để định lượng ure… Dùng enzyme làm thuốc ví dụ protease làm thuốc tắc nghẽn tim mạch, tiêu mủ vết thương, làm thông đường hô hấp, chống viêm, làm thuốc tăng tiêu hóa protein, thành phần của các loại thuốc dùng trong da liễu và mỹ phẩm… Trong y học các protease cũng được dùng để sản xuất môi trường dinh dưỡng để nuôi cấy vi sinh vật sản xuất ra kháng sinh, chất kháng độc… Ngoài ra người ta còn dùng enzyme protease để cô đặc và tinh chế các huyết thanh kháng độc để chữa bệnh. Amylase được sử dụng phối hợp với coenzyme A, cytocrom C, ATP, carboxylase để chế thuốc điều trị bệnh tim mạch, bệnh thần kinh, phối hợp với enzyme thủy phân để chữa bệnh thiếu enzyme tiêu hóa. Tài liệu tham khảo 10 10 1. Nguyễn Đức Lượng, Nguyễn Ánh Tuyết, Lê Thị Thuỷ Tiên. Công nghệ Enzym. Nhà xuất bản Đại học quốc gia TPHCM, 2004. - 534tr 2. Đặng Thị Thu, Lê Ngọc Tú, Tô Kim Anh. Công nghệ Enzym. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2004. - 304tr 3. http://elearning.hueuni.edu.vn/file.php/144/pdf/Chuong%209.pdf. 4. http://www.sinhhocvietnam.com/forum/showthread.php?t=1094 . ngành công nghiệp sau: - Công nghiệp thực phẩm (công nghiệp thịt, công nghiệp chế biến cá, chế biến sữa, công nghiệp bánh mì, bánh kẹo, công nghiệp bia, công. bia, công nghiệp sản xuất sữa…) - Công nghiệp hương phẩm và mỹ phẩm - Công nghiệp dệt - Công nghiệp thuộc da - Công nghiệp phim ảnh - Công nghiệp y học…