ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP

ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC THỰC PHẨM Đề tài: ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP INDUSTRIAL ENZYME APPLICATIONS Ole Kirk*, Torben Vedel Borchert and Claus Crone Fuglsang GVHD: Phan Minh Anh Thư TP.HCM - 20/04/2013 MỤC LỤC 1 ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP Khả năng xúc tác của enzyme đã được đưa ra để ứng dụng vào các quá trình và sản phẩm công nghiệp. Sự phát triển gần đây của công nghệ sinh học, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật protein và tiến hóa định hướng đã cung cấp những công cụ quan trọng cho sự phát triển mạnh của việc ứng dụng enzyme: cải thiện các thuộc tính của enzyme trong những ứng dụng kỹ thuật đã được thiết lập, đồng thời sản xuất enzyme mới ứng dụng vào những lĩnh vực mới trước đây chưa từng sử dụng enzyme. 1. Giới thiệu chung Nền công nghiệp enzyme được biết đến ngày nay là kết quả của sự phát triển nhanh qua 4 thập kỷ qua nhờ vào sự phát triển của công nghệ sinh học hiện đại. Enzyme được tìm thấy trong tự nhiên như trong dạ dày bê, trái đu đủ hoặc được tạo ra từ vi sinh vật trong quá trình chuyển hóa của chúng đã được 2 sử dụng từ thời cổ đại trong quá trình sản xuất các sản phẩm thực phẩm như phô mai, bánh mì, bia, rượu, giấm và trong các mặt hàng như da, thuốc nhuộm, vải. Tuy nhiên, ở giai đoạn này enzyme chưa được sử dụng ở dạng tinh khiết chất lượng tốt. Trong những thập kỷ gần đây, với sự tiến bộ của công nghệ lên men enzyme đã được sản xuất dưới dạng tinh khiết, chất lượng tốt thậm chí với quy mô lớn dựa trên cơ sở chọn lọc. Kể từ đó, enzyme đã được ứng dụng rộng rãi trong những quá trình, sản phẩm công nghiệp thực sự, ví dụ như trong lĩnh vực công nghiệp chất tẩy rửa, dệt và tinh bột. Việc ứng dụng công nghệ tái tổ hợp gen đã cải thiện quá trình sản xuất, thương mại hóa các sản phẩm enzyme mà trước đây chưa từng có. Hơn thế nữa, sự phát triển gần đây của công nghệ sinh học hiện đại, kỹ thuật protein cũng như tiến hóa định hướng đã góp phần vào sự phát triển của enzyme công nghiệp (Theo Hình 1). Những cải tiến này đã tạo ra những enzyme thích hợp thể hiện nhiều hoạt tính mới, trong những điều kiện mới. Vì vậy mà enzyme ngày càng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp. Hình 1. Những bước tiến trong sự phát triển của enzyme Sự phát triển của enzyme hiện nay Sự phát triển của enzyme truyền thống Tạo sự đa dạng sinh học Sự đa dạng tự nhiên Cải tiến mô hình phân tử Chọn lọc sơ cấp Đột biến tự nhiên Chọn lọc thứ cấp Tạo hệ thống biểu hiện thuộc tính Lên men Thiết lập quy trình Sản xuất Tinh chế Lập công thức Thiết lập quy trình Sản xuất 3 Bảng 1. Enzyme sử dụng trong những mảng công nghiệp khác nhau Ngành công nghiệp Chất tẩy rửa (bột giặt và nước rửa chén) Tinh bột và nhiên liệu Lớp enzyme Protease Amylase Lipase Cellulase Mannanase Amylase Amyloglucosidase Pullulanase Glucose isomerase Cyclodextringlycosyltransferase Xylanase Protease Protease Thực phẩm (bao gồm các sản phẩm sữa) Bánh nướng Lipase Lactase Pectin methyl esterase Pectinase Transglutaminase Amylase Xylanase Lipase Phospholipase Glucose oxidase Lipogenase Protease Transglutaminase Chức năng Loại bỏ chất bẩn protein Loại bỏ chất bẩn tinh bột Loại bỏ chất bẩn dầu mỡ Làm sạch, loại màu và chống kết bám (vải cotton) Loại bỏ chất bẩn manan Hóa lỏng và đường hóa tinh bột Đường hóa Đường hóa Sản xuất fructose Sản xuất cyclodextrin Giảm độ nhớt (nhiên liệu và tinh bột) Tạo nguồn dinh dưỡng cho nấm men (trong sản xuất nhiên liệu) Đông tụ sữa, sản xuất sữa cho trẻ em (giảm dị ứng), tạo mùi hương Tạo mùi cho phô mai Loại bỏ đường lactose trong sữa Tạo độ chắc cho các sản phẩm từ trái cây Sản xuất các sản phẩm từ trái cây Thay đổi độ dẻo, độ nhớt Điều chỉnh độ mềm, xốp của bột bánh mì Điều chỉnh bột nhào Điều chỉnh và ổn định bột nhào (chất tạo nhũ). Điều chỉnh và ổn định bột nhào (chất tạo nhũ) Tăng lực của gluten bột nhào Tăng lực của bột nhào, làm trắng Sản xuất bánh bích quy Tăng lực bột nhào laminate (bột nhào dạng cán thành lớp mỏng). 4 Thức ăn cho vật nuôi Nước giải khát Dệt Phytase Xylanase β - Glucanase Pectinase Amylase β - Glucanase Acetylacetate decarboxylase Laccase Cellulase Amylase Pectate lyase Catalase Laccase Peroxidase Lipase Protease Amlylase Bột giấy và giấy Xylanase Cellulase Chất béo, dầu thực vật Tổng hợp chất hữu cơ Thuộc da Sản phẩm chăm sóc cá nhân Lipase Phospholipase Lipase Acylase Nitrilase Protease Lipase Amyloglucoxidase Glucose oxidase Peroxidase Tiêu hóa phytate, chống thiếu phospho Tiêu hóa thức ăn Tiêu hóa thức ăn Ngâm, pectin hóa Xử lý nước trái cây, bia năng lượng thấp Ngâm Làm chín bia Lọc nước trái cây, tạo mùi cho bia, xử lý nút chai Hoàn thiện vải denim, làm mềm vải cotton Làm giảm kích thước sợi Tẩy vải Làm trắng Làm trắng Loại bỏ thuốc nhuộm Điều chỉnh sự nhiễm bẩn, nhựa Loại bỏ lớp màng sinh học Phủ tinh bột, tăng khả năng loại mực, tăng tính ưa nước của sợi Tẩy trắng giấy Tăng khả năng loại mực, tăng tính ưa nước của sợi, thay đổi cấu trúc sợi Ester hóa chất béo dạng trans Giảm độ nhớt, sản xuất lyso-lecithin Hòa tan các alcohol và amide bất đối xứng Tổng hợp penicillin có nguồn gốc từ thiên nhiên Tổng hợp acid carboxylic Xử lý da Tẩy da Chống vi sinh vật, kết hợp cùng glucose oxidase Làm trắng, chống vi sinh vật Chống vi sinh vật. Như Bảng 1. trên thể hiện đa dạng hóa sự ứng dụng của enzyme cả về số lượng lẫn mức độ phức tạp. Ứng dụng chính của enzyme trong lĩnh vực công nghiệp vẫn là thủy phân, phân giải những hợp chất trong tự nhiên. Protease ở vị trí đứng đầu, vì được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chất tẩy rửa và công nghiệp sữa. Đứng thứ hai là các carbohydrase, chủ yếu là amylase và cellulase, sử dụng trong công nghiệp tinh bột, dệt, chất tẩy rửa, bánh. 5 Như minh họa ở hình 2, công nghiệp kỹ thuật, chủ yếu là chất tẩy rửa, tinh bột, dệt, cồn nhiên liệu, đạt mức tiêu thụ lớn nhất của enzyme công nghiệp. Nhìn chung, giá trị ước tính của toàn thế giới sử dụng enzyme công nghiệp có sự tăng trưởng từ 1 tỷ đô la năm 1995 lên đến 1,5 Hình 2. Thị trường enzyme công nghiệp theo tỷ đô la vào năm 2000. Theo sự tăng trưởng này, cần có sự thay đổi cần thiết trong một số nghành công nghiệp kỹ thuật chính, đầu lĩnh vực. Trong năm 2000, thị trường enzyme đạt 1,5 tỷ đô la. Lĩnh vực công nghiệp kỹ thuật bao gồm chất tẩy rửa, tinh bột, dệt, cồn nhiên liệu, da thuộc, giấy và bột giấy tiên phải nói đến là công nghiệp chất tẩy rửa. Sự tăng trưởng mạnh nhất trong những thập kỷ vừa qua được biết đến là công nghiệp bánh và thức ăn vật nuôi. Tuy nhiên sự tăng trưởng này cũng bao gồm cả trong tổng hợp chất hữu cơ, bột giấy và giấy, sản phẩm chăm sóc cá nhân. Bài tổng quan này đề cập đến công nghệ enzyme mới và ứng dụng của enzyme trong các lĩnh vực khác nhau gần đây. 2. Những công nghệ mới cho nghiên cứu enzyme Vi sinh vật tự nhiên là nguồn cung cấp nhiều enzyme khác nhau. Sự phát triển trong tin sinh học và chuỗi dữ liệu sẵn có đã tăng đáng kể hiệu quả của việc phân lập những gen đặc biệt từ tự nhiên. Kỹ thuật protein thích hợp và khả năng đưa ra những protein mới với một vài thay đổi nhỏ dựa trên nền tảng cấu trúc, liên quan đến tính chất lý sinh và hóa sinh, đã đưa ra những công cụ mới trong tối ưu hóa enzyme trong những thập niên tám mươi. Tiến hóa định hướng là công cụ gần đây nhất được sử dụng cho việc cải tiến enzyme. Bằng cách gây ra một hay nhiều đột biến gen ngẫu nhiên, người ta tạo ra những ngân hàng biến 6 dị; từ đó tiến hành sàng lọc, chọn lọc chủng enzyme phù hợp. Những biến dị sau khi được phân lập, cải tiến theo một chu trình sàng lọc, sẽ được sử dụng như nguyên liệu thứ cấp trong những chu trình tái tổ hợp hay thế hệ đa dạng mới. Gần đây, nhiều nổ lực trong việc đưa ra những thông số quan trọng trong tiến hóa định hướng đã nổi lên và gặt hái được những thành công nhất định; chẳng hạn như việc kết hợp kỹ thuật tái tổ hợp với tiến hóa định hướng. Công nghệ mới được dự đoán là sẽ thay thế công nghệ hiện tại, tuy nhiên chúng tôi hy vọng rằng thời gian sẽ trả lời việc kết hợp tiến hóa định hướng, thiết kế enzyme và sự đa dạng của tự nhiên như thế nào để tạo ra những phân tử enzyme mới với những đặc tính mong muốn và hiệu quả sử dụng cao. 3. Ứng dụng của enzyme 3.1. Ứng dụng trong công nghiệp chất tẩy rửa Enzyme được sử dụng như một chất bổ sung vào chất tẩy rửa, mảng ứng dụng lớn nhất của enzyme công nghiệp, cả về số lượng cũng như chất lượng. Thành phần chính là protease, tuy nhiên cũng có thể bổ sung một số chất thủy phân khác tùy vào chất bẩn cần được loại bỏ. Những kỹ thuật tiên tiến để tạo ra những enzyme tẩy rửa mới dựa trên nền tảng enzyme tẩy rửa truyền thống như protease và amylase đã và đang phát triển. Những enzyme thế hệ thứ hai, thứ ba đã được tối ưu hóa, đáp ứng yêu cầu của chất tẩy rửa. Đặc biệt, ngoài sự tương thích của enzyme với các thành phần của chất tẩy rửa, các enzyme cũng có khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn đã được đề cập trong những nghiên cứu báo cáo gần đây. Để tiết kiệm điện năng, nhiệt độ sử dụng trong máy giặt, máy rửa chén đã được cắt giảm trong những năm gần đây. Như vậy, enzyme có thể giúp cho vấn đề dọn dẹp, loại bỏ chất bẩn được thực hiện hiệu quả hơn. Ví dụ gần đây của enzyme tẩy rửa thế thệ thứ hai bao gồm sự phát triển của amylase hiện đại, có thể tăng khả năng hoạt động được ở điều kiện nhiệt độ thấp, pH kiềm. Những enzyme này được phát triển bằng việc kết hợp chọn lọc vi 7 sinh vật và kỹ thuật protein thích hợp. Protease có khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp được tách từ tự nhiên, nhưng được cải tiến ở phòng thí nghiệm bằng phương pháp cải tiến định hướng. Hơn thế nữa, từ nguyên liệu ban đầuenzyme 26 subtislisin(serine endopeptidase) của Ness và cộng sự đã thay đổi cấu trúc vòng DNA để tạo những enzyme mới với sự cải thiện hoạt tính đáng kể.Việc cải tiến dựa trên những đặc tính tẩy rửa của protease (ví dụ như tăng hoạt tính xúc tác mạnh hơn, ổn định ở pH kiềm). Những sản phẩm mới gần đây đã đưa thêm nhóm enzyme mới mannanase - kết quả nghiên cứu phát triển của Proter và Gramble và hãng Novozymes. Những enzyme này dùng để loại bỏ chất guar gum (phụ gia thường dùng để ổn định và tạo độ đặc cho sản phẩm thực phẩm). 3.2. Ứng dụng trong chuyển hóa tinh bột Chuyển tinh bột thành dịch high fructose corn syrup (dịch đường fructose nồng độ cao) với sự tác dụng của enzyme đã được nghiên cứu hoàn chỉnh, là một ví dụ điển hình của quá trình sinh học, sử dụng một chuỗi enzyme liên tiếp nhau. Enzyme ứng dụng trong công nghiệp tinh bột là một đề tài được nghiên cứu, phát triển liên tục. Bước đầu tiên trong quá trình là chuyển tinh bột thành oligomaltodextrins bằng enzyme α- Amylase. Quá trình này đòi hỏi phải được thực hiện trong giới hạn khả năng chịu nhiệt của enzyme. Sử dụng α- Amylase truyền thống, pH phải điều chỉnh ở mức độ vừa phải, đồng thời canxi phải được thêm vào để ổn định hoạt tính của enzyme. Dòng α- Amylase mới phát triển gần đây với những tính chất ưu việt hơn như khả năng ổn định nhiệt, chịu acid, đặc biệt là có khả năng xúc tác mà không cần bổ sung canxi đã nâng cao lợi nhuận của ngành công nghiệp tinh bột một cách rõ rệt. Những nổ lực nghiên cứu kỹ thuật cải thiện hoạt tính của những enzyme sử dụng sau quá trình thủy phân tinh bột thành oligomaltodextrins cũng đang được phát triển như glucoamylase, glucose isomerase. 8 3.3. Ứng dụng trong sản xuất cồn nhiên liệu Trong công nghiệp sản xuất cồn, sử dụng enzyme cho sản xuất đường được phân giải từ tinh bột đã được nghiên cứu hoàn chỉnh. Trải qua nhiều thập kỷ, nhu cầu cồn nhiên liệu tăng lên là hệ quả của việc ý thức của nhân loại về môi trường tăng lên, cũng như giá dầu leo cao; vì vậy để giải quyết những vấn đề thực tiễn trên, người ta đã giới hạn lượng phụ gia nhất định trong dầu mỏ_ methyl tert-butyl ether (MTBE) bằng cách thay thế nó bằng cồn. Do đó, những nghiên cứu hiện tại được thực hiện đề phát triển những enzyme cải tiến, giá rẻ, có thể tận dụng nguồn cơ chất là lignocellulose để sản xuất cồn sinh học nhiều ưu thế hơn khi so sánh với nhiên liệu xăng dầu khai thác từ mỏ. Giá của enzyme cần để chuyển lignocellulose thành vật liệu thô thích hợp cho việc lên men tạo cồn là vấn đề trọng tâm, công việc nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào việc tăng khả năng xúc tác và tính ổn định để sản xuất cồn có hiệu quả. Những chương trình quốc gia lớn của phòng năng lượng Mỹ đưa ra để hỗ trợ, khuyến khích hướng nghiên cứu này nhằm góp phần giảm ô nhiễm môi trường, hướng đến nghị định thư Kyoto. 3.4. Ứng dụng trong công nghiệp dệt Trong công nghiệp dệt, hoạt động xúc tác của enzyme mới được đưa vào ứng dụng gần đây. Nền công nghiệp này chịu một sức ép lớn về vấn đề môi trường bởi vì nó tiêu tốn nhiều năng lượng, nước và ô nhiễm môi trường. Một trong những khâu tiêu tốn nhiều năng lượng, nước trong sản xuất vải cotton là khâu tẩy vải để loại bỏ nhiều hợp chất khác nhau trên thành tế bào trong sợi cellulose. Khâu này thông thường được thực hiện ở nhiệt độ cao, điều kiện kiềm mạnh, tuy nhiên nếu được thực hiện bằng enzyme sẽ tiến hành ở nhiệt độ thấp, tiêu tốn ít nước hơn nhờ hoạt động của pectate lyase. Do tính thân thiện với môi trường, kỹ thuật mới này đã được chính phủ Mỹ trao tặng giải thưởng tài năng hóa học xanh năm 2001. Tiếp nối thành công của việc ứng dụng enzyme trong 9 tẩy vải, ngày nay enzyme đã được sử dụng trong hầu hết các công đoạn chính của quá trình sản xuất vải cotton (Hình 3.) α - Amylase Làm giảm kích thước sợi Vải thô PectinasePeroxidase (loại bỏ thuốc nhuộm Acid dưcellulose thừa) (làm bóng vải sinh học) Tẩy vải Nhuộm vải Catalase (làm trắng vải) Làm giảm kích thước sợi Rửa vải với đá α - Amylase Làm trắng Hoàn thiện Vải hoàn thiện Làm trắng Vải blue jeans hoàn thiện PectinasePeroxidase (loại bỏ thuốc nhuộm Acid dưcellulose thừa) (làm bóng vải sinh học) HìnhCellulase 3.Những enzyme sử dụng trong quá trình sản xuất vải Denim trung tính Laccase/mediator Như vậy sử dụng enzyme mang lại lợi ích cả trong công nghiệp dệt cũng như Làm giảm kích thước sợi vấn đề môi trường. Tẩy vải Làm trắng Nhuộm vải Hoàn thiện 3.5. Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất thức ăn cho vật nuôi Vải thô Catalase Vảithành hoàn thiện Ứng dụng enzyme trong lĩnh(làm vựctrắng nàyvải) cũng được triển khai công. Ví dụ, trong suốt các thập kỷ vừa qua, xylanase và β – glucanase có trong ngũ cốc được làm thức ănvải cho vậtLàm dạtrắng dày đơn, ngược lại đối với động vật Làm giảmdùng kích thước sợi Rửa vớiđộng đá Vải blue jeans hoàn thiện nhai lại có khả năng phân giải tốt và sử dụng nguồn thức ăn từ thực vật chứa nhiều cellulose và hemicellulose. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu Cellulase trung tính nguồn Laccase/mediator tập trung vào vấn đề sử dụng hợp chất phospho tự nhiên từ acid phytic trong thức ăn có nguồn gốc ngũ cốc cho động vật dạ dày đơn. Chúng hấp thu tốt hơn nguồn phospho tự nhiên (mà trong số đó có khoảng 85-90% được liên kết với acid phytic) chỉ khi thêm phytase vào thức ăn cho vật nuôi. Những chú ý liên quan đến enzyme này tăng lên đáng kể trong những năm gần đây. Một số quốc 10 gia trước đây đã sử dụng xương động vật nghiền để làm thức ăn vật nuôi để bổ sung nguồn phospho vô cơ; điều này đã bị cấm do đó là nguyên nhân gây nên bệnh bò điên. Đồng thời, ở nhiều quốc gia phương Tây chuyên sản xuất thịt phải tuân thủ theo những nguyên tắc khi loại bỏ phospho ra ngoài môi trường. Vì vậy, việc thêm phytase vào thức ăn vật nuôi sẽ giảm đáng kể việc thải phospho ra khỏi dạ dày đơn, phytase đã trở thành một lĩnh vực lớn enzyme trong công nghiệp thức ăn chăn nuôi. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy việc bổ sung phytase không những làm tăng khả năng hấp thu phospho ở vật nuôi mà còn tăng khả năng hấp thu một số dưỡng chất khác. Những tiến bộ gần đây nhất trong enzyme dùng làm thức ăn cho vật nuôi đều hướng đến khả năng ứng dụng cao và khả năng hoạt động của enzyme. Phytase mới từ nấm được nhận diện với hoạt độ riêng tăng từ 4-50 lần so với những báo cáo trước đây. Sự cải tiến hướng đến sự phát triển những enzyme tốt hơn để tăng hoạt tính xúc tác của phytase từ nấm bằng đột biến định hướng điểm. Ví dụ như dựa trên cơ sở nghiên cứu cấu trúc không gian ba chiều, hoạt độ riêng của phytase nấm Asperillus fumigatus tăng gấp bốn lần. Để enzyme có thể được sử dụng làm thức ăn dạng viên, thì enzyme phải có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao (trên 800C) trong suốt quá trình tạo viên ở một thời gian ngắn. Ý tưởng hướng đến tạo ra những enzyme chịu nhiệt trong cấu trúc phytase liên hợp dựa trên tính tương đồng của các loại phytase khác nhau. Những enzyme này thể hiện hoạt tính trong giới hạn ổn định nhiệt tăng đến khoảng 80 0C. Vì vậy, sử dụng phospho không chỉ là một vấn đề được quan tâm trong công nghiệp thức ăn chăn nuôi, nó còn có khả năng tăng khả năng hấp thu các nguồn dưỡng chất khác, ví dụ như tăng khả năng tiêu hóa protein trong đậu nành. Hiển nhiên rằng trong tương lai, chúng ta sẽ sử dụng những enzyme thủy phân mới khác nhau để ứng dụng trong công nghiệp thức ăn chăn nuôi nhằm tăng giá trị của nguyên liệu, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm, tác động có lợi đến môi trường. 11 3.6. Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm Như đã chỉ ra ở Bảng 1, ứng dụng của enzyme trong công nghiệp thực phẩm là rất phong phú và đa dạng, từ cấu trúc đến tạo hương. Thông thường, hầu như tất cả các ứng dụng thực phẩm, enzyme được ứng dụng như tác nhân xử lý cơ chất từ chuẩn bị nguyên liệu đến sản phẩm cuối. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để tối ưu enzyme trong sử dụng sản xuất protein tái tổ hợp tạo ra enzyme tinh khiết, không tạo sản phẩm phụ bất lợi. Gần đây, nhiều nghiên cứu được thực hiện về ứng dụng của transglutaminase như tác nhân tạo cấu trúc trong quá trình chế biến, ví dụ trong xúc xích, mì, yohurt, trong đó liên kết ngang của protein được cung cấp để tăng độ nhớt, dẻo cho sản phẩm. Tuy nhiên, phạm vi sử dụng của enzyme này bị giới hạn vì khả năng cung ứng của nó trên quy mô công nghiệp. Hiện nay, chỉ có duy nhất transglutaminase từ Streptoverticillium sp. là sẵn có ở dạng thương mại, và việc nghiên cứu vẫn đang tiếp tục nhằm tăng khả năng cung ứng của enzyme bằng sản xuất tái tổ hợp ở Escherichia coli. Trong công nghiệp bánh, nhu cầu enzymes lipolytic tăng đáng kể. Những đề xuất gần đây về lipase (phospho) có thể sử dụng thay thế hoặc hỗ trợ chất tạo nhũ truyền thống, vì enzyme này làm giảm cấu trúc của lipid bột mì, góp phần tăng khả năng tạo nhũ của bột. Những nỗ lực từng bước được nghiên cứu gần đây hướng đến việc hiểu rõ hơn về cấu trúc bánh mì cũ và sử dụng α - amylase và xylanase để ngăn chặn hiện tượng này bằng. Nghiên cứu cũng đã đi đến kết luận rằng khả năng kết hợp, giữ nước trong tinh bột và những đoạn hemicellulose - nguồn cơ chất tương ứng của dụng α - amylase và xylanase là tác nhân ảnh hưởng chính đến việc duy trì cấu trúc mềm xốp dẻo của bánh. Việc xác định cấu trúc không gian ba chiều gần đây của amylase sử dụng để chống hư bánh (Novamyl) cung cấp cái nhìn khách quan về tính chất hoạt động của enzyme. Những amylase này có thể phân giải amylopectin đến một độ 12 nhất định để ngăn chặn tái kết tinh sau khi hồ hóa mà không làm giảm cấu trúc mạng của amylopectin ảnh hưởng xấu đến cấu trúc của bánh mì. Bên cạnh những bước tiến được đề cập ở trên, nhiều ứng dụng mới trong công nghiệp thực phẩm cũng được đề cập với nhiều tài liệu trên công cộng. Sử dụng laccase làm trong nước ép trái cây (laccase phân giải liên kết ngang của polyphenols, kết quả là dễ dàng loại bỏ polyphenols bằng cách lọc), và tăng hương trong bia gần đây được ứng dụng trong công nghiệp nước giải khát. Hiển nhiên rằng những hiểu biết về chức năng của các lớp enzyme khác nhau sẽ đưa ra những ứng dụng mới trong công nghiệp thực phẩm tương lai. 3.7. Ứng dụng trong chế biến dầu, chất béo Trong công nghiệp dầu và chất béo, nhiều quá trình chế biến dựa vào enzyme gần đây đã được đưa ra. Mặc dù lipases cố định trong ester hóa triglyceride đã được mô tả ở những năm 1980, quá trình này vẫn không mang lại hiệu quả đáng kể trong tiết kiệm chi phí khi đưa vào ứng dụng thực tế trên quy mô lớn, ví dụ trong sản xuất margarine. Mặc dù sản xuất enzyme trở nên hiệu quả hơn, tuy nhiên giá để cố định enzyme vẫn là một trở ngại lớn. Tuy nhiên những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực enzyme đã giải quyết được vấn đề này, ví dụ như cố định lipase dựa trên tạo hạt silica đã làm giảm giá thành đáng kể, và quá trình sản xuất lipase dựa trên vật liệu mới này hiện nay trở thành một công cụ cho sản xuất dầu, chất béo thương mại không chứa acid béo dạng trans. Một quá trình mới khác gần đây được đưa ra là loại bỏ phospholipids trong dầu thực vật, giảm độ gum, sử dụng phospholipase từ chủng vi khuẩn được chọn lọc. Vì vậy, việc sử dụng enzyme trong những công đoạn khác nhau của chế biến dầu, chất béo sẽ tiết kiệm cả về năng lượng và nước mang lại lợi ích cho công nghiệp và môi trường. 3.8. Ứng dụng trong tổng hợp chất hữu cơ Tổng hợp chất hóa học là một lĩnh vực sử dụng enzyme xúc tác được biết đến từ lâu như một triển vọng tuyệt vời. Mặc dù vậy nhưng trong ngành công 13 nghiệp này, việc sử dụng enzyme vẫn còn thấp so với các ngành khác. Hiện tại, chúng ta thấy rằng sự tăng trưởng đáng kể trong lĩnh vực này và những giai đoạn sử dụng enzyme hiện nay được đưa ra rộng rãi để sản xuất những hợp chất hóa học khác nhau. Một ví dụ điển hình là sản xuất chất trung gian ứng dụng trong sản xuất thuốc và hóa chất dùng trong nông nghiệp. Thị trường này bị phân chia thành nhiều phân khúc, vì rất ít enzyme có thể ứng dụng được trong phạm vi rộng của những quá trình khác nhau. Quá trình sử dụng enzyme gần đây được đưa ra bao gồm sử dụng lipase cho sản xuất amids và cồn tinh khiết, nitrilase trong sản xuất acid carboxylic, acylase trong sản xuất penicillin bán tổng hợp. Nhiều công ty bước đầu tận dụng chất xúc tác có bản chất enzyme, nhiều tiến triển mới trong lĩnh vực này vẫn đang được mong chờ ở lĩnh vực này trong những năm kế tiếp. 4. Kết luận và triển vọng Như những đề cập trên, enzyme đang được sử dụng trong nhiều sản phẩm quy trình công nghiệp khác nhau và những lĩnh vực mới. Nhờ vào những tiến bộ của công nghệ sinh học hiện đại, enzyme ngày nay có thể được phát triển và ứng dụng trong những quá trình kỹ thuật mà trước đây không ngờ đến. Trong hầu hết các ứng dụng, việc đưa ra những enzyme có hoạt tính xúc tác hiệu quả dưới những điều kiện ôn hòa sẽ tiết kiệm đáng kể nguồn năng lượng, nước mang lại lợi ích cả trong công nghiệp cũng như vấn đề môi trường. Trong một thế giới với sự tăng nhanh dân số và cạn kiệt nguồn tài nguyên dự trữ, công nghệ enzyme hứa hẹn sẽ mang lại một tiềm năng lớn để giải quyết những thách thức mà các nền công nghiệp phải đối mặt trong những năm sắp tới. Tài liệu tham khảo 1. Godfrey T, West SI: Introduction to industrial enzymology. Industrial Enzymology, edn 2. Edited by Godfrey T, West S. London:Macmillan Press; 1996:1-8. 2. McCoy M: Novozymes emerges. Chem Eng News 2000, 19:23-25. 14 3. Tobin MB, Gustafsson C, Huisman GW: Evolution: the ‘rational’ basis for ‘irrational’ design. Curr Opin Struct Biol 2000, 10:421-427. 4. Voigt CA, Kauffman S, Wang ZG: Rational evolutionary design: the theory of in vitro protein evolution. Adv Protein Chem 2000, 55:79-160. 5. Altamirano MM, Blackburn JM, Aguayo C, Fersht AR: Directed•• evolution of a new catalytic activity using the α/β-barrel scaffold. Nature 2000, 403:617-622. The elegant combination of rational engineering and directed molecular evolution are used for the introduction of a new catalytic activity in an enzyme. 6. Bisgaard-Frantzen H, Svendsen A, Norman B, Pedersen S, Kjærulff S,Outtrup H, Borchert TV: Development of industrially important α-amylases. J Appl Glycosci 1999, 46:199-206. 7. Wintrode PL, Miyazaki K, Arnold FH: Cold adaptation of amesophilic subtilisin-like protease by laboratory evolution. J Biol Chem 2000, 275:31635-31640. 8. Ness JE, Welch M, Giver L, Bueno M, Cherry JR, Borchert TV,• Stemmer WPC, Minshull J: DNA shuffling of subgenomicsequences of subtilisin. Nat Biotechnol 1999, 17:893-896. This work describes the shuffling of a large family of homologous genes and analysis of the resulting functional diversity. Screening of a rather smalllibrary resulted in improvements for five different properties. 9. McCoy M: Soaps & detergents. Chem Eng News 2001, • 20:19-32. An update on the latest developments within the detergent industry alsointroducing the latest new detergent enzyme, a mannanase. 10. Shaw A, Bott R, Day AG: Protein engineering of α-amylases forlow pH performance. Curr Opin Biotechnol 1999, 10:349-352. 11. Declerck N, Machius M, Wiegand G, Huber R, Gaillardin C: Probing• structural determinants specifying high thermostability in Bacilluslicheniformis α-amylase. J Mol Biol 2000, 301:1041-1057. The elegant use of suppressors aided the construction and analysis of thermo-stability of 175 amylase variants. Several stabilizing mutations were identified. 12. Sauer J, Sigurdskjold BW, Christensen U, Frandsen TP,Mirgorodskaya E, Harrison M, Roepstorff P, Svensson B:Glucoamylase: structure/function 15 relationships and protein engineering. Biochem Biophys Acta 2000, 1543:275293. 13. Hartley BS, Hanlon N, Jackson RJ, Rangrajan M: Glucose isomerase:insight into protein engineering for increased thermostability. Biochem Biophys Acta 2000, 1543:294-335. 14. Jolly L: The commercial viability of fuel ethanol from sugar cane. Int Sugar J 2001, 103:117-143. 15. Taylor F, Mcaloon AJ, Craig JC, Yang P, Wahjudi J, Eckhoff SR: Fermentation and costs of fuel ethanol from corn with quick-germprocess. Appl Biochem Biotechnol 2001, 94:41-49. 16. Taylor F, Kurantz MJ, Goldberg N, Mcaloon AJ, Craig JC: Dry-grind process for fuel ethanol by continuous fermentation andstripping. Biotechnol Prog 2000, 16:541-547. 17. Zaldivar J, Nielsen J, Olsson L: Fuel ethanol production from lignocellulose: a challenge for metabolic engineering and process integration. Appl Microbiol Biotechnol 2001, 56:17-34. 18. Wheals AE, Basso LC, Alves DMG, Amorim AV: Fuel ethanol after 25 years. Trends Biotechnol 1999, 17:482-487. 19. Tzanov T, Calafell M, Guebitz GM, Cavaco-Paulo A: Biolpreparation• of cotton fabrics. Enzyme Microb Technol 2001, 29:357-362. This work describes the successful substitution of traditional chemical processes by the introduction of pectinases for biopreparation of cotton fabrics. 20. Lei XG, Stahl CH: Nutritional benefits of phytase and • dietary determinants of its efficacy. J Appl Anim Res 2000, 17:97-112. The paper discusses the beneficial gains of utilizing phytase for animal feed,in a fair and critical manner, and provides a nice overview on this particularusage of phytase. 21. Kies AK, van Hemert KHF, Sauer WC: Effect of phytase on proteinand amino acid digestibility and energy utilization. Worlds Poult Sci J 2001, 57:109-126. 22. Lei XG, Stahl CH: Biotechnological development of effectivephytases for mineral nutrition and environmental protection. Appl Microbiol Biotechnol 2001, 57:474-481. 16 23. Lassen SF, Breinholt J, Østergaard PR, Brugger R, Bischoff A,• Wyss M, Fuglsang CC: Expression, gene cloning and characterization of five novel phytases from four Basidiomycetefungi: Peniophora lycii, Agrocybe pediades, a Ceriporia sp. And Trametes pubescens. Appl Environ Microbiol 2001, 67:4701-4707. Describes an entirely new group of fungal phytases and their properties.One of these phytases has recently been commercialized for application in animal feed. 24. Tomschy A, Tessier M, Wyss M, Brugger R, Broger C, Schnoebelen L,van Loon APGM, Pasamontes L: Optimization of the catalytic properties of Aspergillus fumigatus phytase based on the three-dimensional structure. Protein Sci 2000, 9:1304-1311. 25. Lehmann M, Kostrewa D, Wyss M, Brugger R, D’Arcy A,• Pasamontes L, van Loon APGM: From DNA sequence to improvedfunctionality: using protein sequence comparisons to rapidly design a thermostable consensus phytase. Protein Eng 2000,13:49-57. An interesting new approach for designing enzymes with improved properties. A significant thermal stabilization is obtained compared with the parent phytase backbones. 26. Kuraishi C, Yamazaki K, Susa Y: Transglutaminase: its utilization in• the food industry. Foods Rev Int 2001, 17:221-246. Industrial application of transglutaminase is still in its infancy. This paper provides a nice overview of some of the first applications of this enzyme inthe food industry. 27. Yokoyama K, Nakamura N, Seguro K, Kubota K: Overproduction ofmicrobial transglutaminase in Escherichia coli, in vitro refolding, and characterization of the refolded form. Biosci Biotechnol Biochem 2000, 64:1263-1270. 28. Collar C, Martinez JC, Andreu P, Armero E: Effect of enzyme associations on bread dough performance. A response surface study. Food Sci Technol Int 2000, 6:217-226. 29. Monfort A, Blasco A, Sanz P, Prieto JA: Expression of LIP1 and LIP2 genes from Geotricum species in baker’s yeast strains and their 17 application to the bread-making process. J Agric Food Chem 1999, 47:803808. 30. Andreu P, Collar C, Martínez-Anaya MA: Thermal properties ofdoughs formulated with enzymes and starters. Eur Food ResTechnol 1999, 209:286293. 31. Dauter Z, Dauter M, Brzozowski AM, Christensen S, Borchert TV,•• Beier L, Wilson KS, Davies GJ: X-ray structure of Novamyl, the five-domain ‘maltogenic’ α-amylase from Bacillus stearothermophilus: maltose and acarbose complexes at 1.7 Åresolution. Biochemistry 1999, 38:8385-8392. Describes the determination of the three-dimensional structure of a maltogenic αamylase widely applied for providing antistaling effects in white bread. Structural insight into the unique specificity and performance of this enzyme is also provided. 32. Christensen MW, Andersen L, Kirk O, Holm HC: Enzymatic interesterification of commodity oils and fats: approaching the tonnes scale. Lipid Technol News 2001, 7:33-37. 33. Clausen K: Enzymatic oil-degumming by a novel • microbial phospholipase. Eur J Lipid Sci Technol 2001, 103:333-340. The use of phospholipases for oil-degumming is described with focus on the introduction of the first enzyme of microbial origin for this application. 34. Schmidt A, Dordick JS, Hauer B, Kiener A, Wubbolts M, Witholt B: Industrial biocatalysis today and tomorrow. Nature 2001, 409:258-268. 18 [...]... năng tiêu hóa protein trong đậu nành Hiển nhiên rằng trong tương lai, chúng ta sẽ sử dụng những enzyme thủy phân mới khác nhau để ứng dụng trong công nghiệp thức ăn chăn nuôi nhằm tăng giá trị của nguyên liệu, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm, tác động có lợi đến môi trường 11 3.6 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm Như đã chỉ ra ở Bảng 1, ứng dụng của enzyme trong công nghiệp thực phẩm là... nhau sẽ đưa ra những ứng dụng mới trong công nghiệp thực phẩm tương lai 3.7 Ứng dụng trong chế biến dầu, chất béo Trong công nghiệp dầu và chất béo, nhiều quá trình chế biến dựa vào enzyme gần đây đã được đưa ra Mặc dù lipases cố định trong ester hóa triglyceride đã được mô tả ở những năm 1980, quá trình này vẫn không mang lại hiệu quả đáng kể trong tiết kiệm chi phí khi đưa vào ứng dụng thực tế trên... trên, nhiều ứng dụng mới trong công nghiệp thực phẩm cũng được đề cập với nhiều tài liệu trên công cộng Sử dụng laccase làm trong nước ép trái cây (laccase phân giải liên kết ngang của polyphenols, kết quả là dễ dàng loại bỏ polyphenols bằng cách lọc), và tăng hương trong bia gần đây được ứng dụng trong công nghiệp nước giải khát Hiển nhiên rằng những hiểu biết về chức năng của các lớp enzyme khác... lĩnh vực này trong những năm kế tiếp 4 Kết luận và triển vọng Như những đề cập trên, enzyme đang được sử dụng trong nhiều sản phẩm quy trình công nghiệp khác nhau và những lĩnh vực mới Nhờ vào những tiến bộ của công nghệ sinh học hiện đại, enzyme ngày nay có thể được phát triển và ứng dụng trong những quá trình kỹ thuật mà trước đây không ngờ đến Trong hầu hết các ứng dụng, việc đưa ra những enzyme có... ra là loại bỏ phospholipids trong dầu thực vật, giảm độ gum, sử dụng phospholipase từ chủng vi khuẩn được chọn lọc Vì vậy, việc sử dụng enzyme trong những công đoạn khác nhau của chế biến dầu, chất béo sẽ tiết kiệm cả về năng lượng và nước mang lại lợi ích cho công nghiệp và môi trường 3.8 Ứng dụng trong tổng hợp chất hữu cơ Tổng hợp chất hóa học là một lĩnh vực sử dụng enzyme xúc tác được biết đến... Mặc dù vậy nhưng trong ngành công 13 nghiệp này, việc sử dụng enzyme vẫn còn thấp so với các ngành khác Hiện tại, chúng ta thấy rằng sự tăng trưởng đáng kể trong lĩnh vực này và những giai đoạn sử dụng enzyme hiện nay được đưa ra rộng rãi để sản xuất những hợp chất hóa học khác nhau Một ví dụ điển hình là sản xuất chất trung gian ứng dụng trong sản xuất thuốc và hóa chất dùng trong nông nghiệp Thị trường... phân khúc, vì rất ít enzyme có thể ứng dụng được trong phạm vi rộng của những quá trình khác nhau Quá trình sử dụng enzyme gần đây được đưa ra bao gồm sử dụng lipase cho sản xuất amids và cồn tinh khiết, nitrilase trong sản xuất acid carboxylic, acylase trong sản xuất penicillin bán tổng hợp Nhiều công ty bước đầu tận dụng chất xúc tác có bản chất enzyme, nhiều tiến triển mới trong lĩnh vực này vẫn... các ứng dụng thực phẩm, enzyme được ứng dụng như tác nhân xử lý cơ chất từ chuẩn bị nguyên liệu đến sản phẩm cuối Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để tối ưu enzyme trong sử dụng sản xuất protein tái tổ hợp tạo ra enzyme tinh khiết, không tạo sản phẩm phụ bất lợi Gần đây, nhiều nghiên cứu được thực hiện về ứng dụng của transglutaminase như tác nhân tạo cấu trúc trong quá trình chế biến, ví dụ trong. .. phytase đã trở thành một lĩnh vực lớn enzyme trong công nghiệp thức ăn chăn nuôi Nhiều nghiên cứu đã cho thấy việc bổ sung phytase không những làm tăng khả năng hấp thu phospho ở vật nuôi mà còn tăng khả năng hấp thu một số dưỡng chất khác Những tiến bộ gần đây nhất trong enzyme dùng làm thức ăn cho vật nuôi đều hướng đến khả năng ứng dụng cao và khả năng hoạt động của enzyme Phytase mới từ nấm được nhận... kiện ôn hòa sẽ tiết kiệm đáng kể nguồn năng lượng, nước mang lại lợi ích cả trong công nghiệp cũng như vấn đề môi trường Trong một thế giới với sự tăng nhanh dân số và cạn kiệt nguồn tài nguyên dự trữ, công nghệ enzyme hứa hẹn sẽ mang lại một tiềm năng lớn để giải quyết những thách thức mà các nền công nghiệp phải đối mặt trong những năm sắp tới Tài liệu tham khảo 1 Godfrey T, West SI: Introduction ... hương bia gần ứng dụng công nghiệp nước giải khát Hiển nhiên hiểu biết chức lớp enzyme khác đưa ứng dụng công nghiệp thực phẩm tương lai 3.7 Ứng dụng chế biến dầu, chất béo Trong công nghiệp dầu... hóa ứng dụng enzyme số lượng lẫn mức độ phức tạp Ứng dụng enzyme lĩnh vực công nghiệp thủy phân, phân giải hợp chất tự nhiên Protease vị trí ứng đầu, sử dụng rộng rãi công nghiệp chất tẩy rửa công. . .ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP Khả xúc tác enzyme đưa để ứng dụng vào trình sản phẩm công nghiệp Sự phát triển gần công nghệ sinh học, đặc biệt lĩnh vực